质谱成像技术(massspectrometry imaging, MSI)是基于质谱发展起来的一种分子影像技术，通过直接扫描生物样本，可以同时获得多种分子的空间分布特征，具有免荧光标记、不需要复杂样品前处理等优点，已经成为基础医学、药学、微生物学等研究领域关键技术之一。
近日，中国科学技术大学国家同步辐射实验室潘洋教授、刘成园副教授课题组与生命科学学院田长麟教授合作，发展了常压透射式激光解吸/后光电离（t-AP-LDI/PI）的质谱成像新方法，以实现对生物组织中多种内源性化合物的原位可视化分析。研究成果以“Development of Transmission Ambient Pressure Laser Desorption Ionization/Postphotoionization Mass Spectrometry Imaging ”为题，于2024年3月25日以封面文章形式发表在分析化学领域知名期刊《Analytical Chemistry》（DOI:10.1021/acs.analchem.3c05605），该研究成果在课题组前期基于解吸电喷雾电离/后光电离基础上（Analytical Chemistry, 2022, 94, 15108；Analytical Chemistry, 2019, 91, 6616），进一步提升了成像空间分辨率和灵敏度。
图1.封面图和t-AP-LDI/PI-MSI装置工作原理图
常压质谱成像技术(Ambient MSI, AMSI)因可在大气压环境下直接对组织中化合物进行解吸和电离而受到关注。在传统质谱成像技术中，待测物一般通过带电液滴和激光从组织表面解吸、电离，继而到达质谱仪被探测。基于液滴解吸电离的AMSI技术的空间分辨率较低（最高可达25 μm），且难以避免相邻像素点的干扰。与带电液滴相比，激光在AMSI实验中可同时用于解吸和电离，同时由于其优异的聚焦性能，目前已开发了多种基于激光的具有高空间分辨率的MSI方法。然而，这些技术存在一些共同的局限性：(Ⅰ) 离子化效率低于1/1000，即绝大部分待测物解吸后仍然是中性分子；(Ⅱ) 生物组织表面高盐的基质环境对待测物产生离子抑制。此外，在基于激光的高分辨率MSI实验中，还存在灵敏度和空间分辨率之间的权衡。考虑到此类实验中每像素点内可供解吸的化合物含量极低，因此激光烧蚀物质的有效电离对于实现高分辨率MSI至关重要。
t-AP-LDI/PI技术的关键是将透射式激光解吸电离和紧凑型后紫外光电离装置结合，以实现对多种极性和非极性分子的高空间分辨率成像（4 μm），后光电离的引入可将组胺、腺苷、胆碱、腺嘌呤、维生素D3、胆固醇、谷氨酸、苏氨酸、鸟嘌呤、神经酰胺、以及多种脂质如脂肪酸、PE、PA、MAG、DG、HexCer和GalCer等的探测灵敏度提高2-3个量级。图2是小鼠海马组织的4 μm高分辨成像图，海马组织的亚区结构如齿状回、上丘臂和海马角等均可以被明显地观测到。
图2.(A)激光烧蚀鼠脑组织后产生的痕迹；(B)激光烧蚀组织后产生线宽的散点图；(C-P)小鼠海马组织光学图及代表性化合物成像图。
本工作进一步测试了t-AP-LDI/PI-MSI方法在复杂临床样本分析中的适用性（图3）。肿瘤代谢重编程被认为是各种类型癌症恶性转化的新标志。在这部分中将黑素瘤组织详细的病理学检测和分区与内源性化合物空间分布相关联，借助代谢通路分析等方法，揭示了黑素瘤微环境的代谢异质性，显示出肿瘤细胞异常增殖和侵袭的趋势，对于深入了解肿瘤发生的复杂分子机制具有很大的参考价值。
图3.黑素瘤组织的光学图及代表性化合物成像图，(A-K)正离子模式，(L-U)负离子模式。
本论文第一作者是戚可可博士后，刘成园副教授、田长麟教授以及潘洋教授为共同通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院重大科学基础设施基础研究计划项目、中央高校基本科研业务费专项资金和中国科学院重点科技人才计划项目的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.3c05605