近日，美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)的研究人員，用高空間分辨率基質(zhì)輔助激光解吸電離（MALDI）- 質(zhì)譜成像（MSI）來(lái)繪制和可視化了新受精的斑馬魚(yú)胚胎單細(xì)胞中磷脂類(lèi)——磷脂酰膽堿（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）以及磷脂酰肌醇（PI）的三維空間分布。這是MALDI-MSI首次應(yīng)用于單個(gè)細(xì)胞的三維化學(xué)成像。相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表在Scientific Reports上。

斑馬魚(yú)（Danio rerio）原產(chǎn)于東南亞，是一種小型熱帶觀賞魚(yú)。由于體外受精和光學(xué)透明，受精斑馬魚(yú)胚胎可在發(fā)育的所有階段進(jìn)行觀察和操作。此外，斑馬魚(yú)很容易獲得，價(jià)格低廉，健壯，易于護(hù)理，并且每周可以產(chǎn)下數(shù)百個(gè)卵。這些獨(dú)特的遺傳特點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)胚胎優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，使得斑馬魚(yú)成為研究早期發(fā)育的理想選擇。

斑馬魚(yú)已被廣泛用作脊椎動(dòng)物系統(tǒng)模型，用于研究脂質(zhì)代謝、脂質(zhì)在疾病中的作用以及胚胎發(fā)育中的脂質(zhì)動(dòng)力學(xué)。最近，F(xiàn)raher等人使用LC-MS法進(jìn)行脂質(zhì)組學(xué)研究，結(jié)果顯示膽固醇、磷脂酰膽堿（PC）和甘油三酯是斑馬魚(yú)胚胎中最豐富的脂質(zhì)。他們證明，在調(diào)動(dòng)到胚胎體之前，脂質(zhì)在蛋黃內(nèi)被加工。電噴霧電離質(zhì)譜（DESI-MS）也被用于直接的MS分析和單個(gè)斑馬魚(yú)胚胎中脂質(zhì)的成像、跨胚胎發(fā)育（受精后0,24,48,72和96小時(shí)）。研究人員對(duì)斑馬魚(yú)中的代謝組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)研究非常感興趣，因?yàn)檫@些化合物具有關(guān)鍵的生物學(xué)功能，例如作為能量?jī)?chǔ)存源、參與細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、并作為細(xì)胞膜的必要成分。探索如何調(diào)節(jié)代謝物和脂質(zhì)是理解生物系統(tǒng)中發(fā)生的生物途徑和發(fā)育過(guò)程的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)分析方法研究小代謝物和脂質(zhì)需要大量的樣品制備、費(fèi)力的提取、衍生化以及先期對(duì)目標(biāo)化合物的了解。由于樣品制備方案和儀器的發(fā)展，質(zhì)譜成像（MSI）已成為這些研究中廣泛使用的分析工具。MSI可實(shí)現(xiàn)生物分子空間分布的二維可視化，而無(wú)需提取、純化、分離或標(biāo)記分析物。此外，單個(gè)MSI實(shí)驗(yàn)可以同時(shí)檢測(cè)許多不同類(lèi)別的化合物，包括未知物，這使得其可以高分辨率和高通量方式直接對(duì)生物分子進(jìn)行細(xì)胞或亞細(xì)胞作圖。

由于生物學(xué)在三維生物體中發(fā)生，3D成像對(duì)生命科學(xué)中的許多挑戰(zhàn)產(chǎn)生了值得注意的影響并不奇怪。最近，使用質(zhì)譜成像對(duì)完整生物分子進(jìn)行成像已擴(kuò)展到3D分析，以確定組織樣本、瓊脂平板和3D細(xì)胞培養(yǎng)物中的體積分子分布。使用質(zhì)譜法最常見(jiàn)的3D成像方法包括收集樣品的連續(xù)部分，使用傳統(tǒng)的二維質(zhì)譜成像分別分析每個(gè)部分，然后使用計(jì)算方法從多個(gè)二維集合堆疊和重建最終的3D成像MS數(shù)據(jù)集等步驟。

美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)的研究小組（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“研究小組”）開(kāi)發(fā)了高空間分辨率的基質(zhì)輔助激光解吸電離（MALDI）-MSI，分辨率低至5μm，并將其用于植物代謝物的細(xì)胞或亞細(xì)胞水平成像。在這里，研究小組利用這種高空間分辨率呈現(xiàn)了新受精的個(gè)體斑馬魚(yú)胚胎的3D MALDI-MSI。這是用MALDI獲得的單個(gè)細(xì)胞的3D MSI的首次演示，揭示了各種脂質(zhì)化合物的亞細(xì)胞水平定位。

（a）受精斑馬魚(yú)胚胎在單細(xì)胞階段的奇數(shù)編號(hào)光學(xué)圖像。 （b）PE（22：6-16：0）在m / z 762.509和（c）PI（18：0-20：5）在m / z 883.535處的假彩色二維MALDI-MS圖像。 通過(guò)覆蓋所有2D圖像，右側(cè)顯示投影圖像。 所有物種均被檢測(cè)為去質(zhì)子化的[M-H] - 。

在此分析中，研究小組通過(guò)獲取62個(gè)連續(xù)橫截面組織切片交替的正離子和負(fù)離子模式的MS成像數(shù)據(jù)，對(duì)單個(gè)斑馬魚(yú)受精卵進(jìn)行3D MALDI-MSI。這可以對(duì)單個(gè)細(xì)胞中全面的脂質(zhì)種類(lèi)進(jìn)行3D可視化。研究結(jié)果顯示，所有三種磷脂類(lèi)都存在于胚盤(pán)內(nèi)的對(duì)稱(chēng)分布，以及蛋黃的邊界，但每種都顯示出不同的區(qū)域；PE顯示在胚盤(pán)中心高度豐富的異質(zhì)亞細(xì)胞區(qū)域，除了胚盤(pán)外，PC分子種類(lèi)存在于蛋黃內(nèi)部，而蛋黃中的PE和PI種類(lèi)大多不存在。另外，還比較了四種不同的歸一化方法以確定當(dāng)將2D MSI與3D體積重建進(jìn)行比較時(shí)，這些方法中的哪一種可以提供更具代表性的結(jié)果。此外，在不同細(xì)胞階段（1-，2-，4-，8-和16-細(xì)胞階段）獲得胚胎的全掃描MSI和MS / MS，以研究斑馬魚(yú)成長(zhǎng)早期階段磷脂分布的變化。

TOF-SIMS已報(bào)道被用于單個(gè)細(xì)胞的3D MSI，特別是結(jié)合深度剖析作為實(shí)現(xiàn)z方向信息的方式。然而，由于顯著的碎裂，可以通過(guò)TOF-SIMS分析的高質(zhì)量化合物主要限于外源性藥物化合物。該研究小組所述的研究工作首次證明高分辨率MALDI-MSI可應(yīng)用于單個(gè)細(xì)胞的三維化學(xué)成像，他們未來(lái)的研究將集中在揭示胚胎發(fā)育的細(xì)節(jié)，具有更高的空間分辨率和小代謝物的可視化，以及熒光顯微鏡的多模態(tài)成像等。

在MALDI質(zhì)譜成像方面，融智生物于2017年推出QuanTOF質(zhì)譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)集合了新一代寬譜定量飛行時(shí)間質(zhì)譜平臺(tái)QuanTOF，擁有5,000-10,000Hz長(zhǎng)壽命半導(dǎo)體激光器，自主開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集軟件。2018年7月，融智生物宣布實(shí)現(xiàn)可達(dá)500像素/秒的成像速率，提升MALDI-TOF MS成像速率達(dá)10倍以上，普通樣本成像只需幾十分鐘，使得質(zhì)譜成像實(shí)現(xiàn)了“立等可取”。 經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的研發(fā)，目前QuanTOF質(zhì)譜成像系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高達(dá)1000像素/秒的成像速率，5-10微米的高空間分辨率，且仍然保持了極高的靈敏度，使得質(zhì)譜成像真正可使用于臨床病理分析、術(shù)中分析等應(yīng)用。