成像質譜應用
物樣本的分子構成描述了其結構,並經常揭示功能方面,例如正常與患病。通過使用質譜 (MS) 掃描樣本並結合該信息,科學家們可以探索生物標誌物、蛋白質和其他分子的分佈以及它們的質量。因此,成像 MS 本質上是分子顯微鏡。這項技術的一些最大進步來自新的應用,從基礎科學到醫療保健。
布魯克成像業務經理 Shannon Cornett 在成像領域擁有約 15 年的學術和工業經驗,對 MS 成像具有廣闊的視野。當被問及最近最有趣的進展時,他指出了兩個。一種是將矩陣輔助激光解吸/電離 (MALDI) 成像 MS 與其他成像方式(包括 PET 和 MRI)相結合。這始於學術界,並已延續到工業界。“從學術努力轉向行業,預示著 MS 成像為所有其他方式帶來的潛力,”科內特說。
Cornett 引用的另一項最新進展是對樣品切片進行化學處理,以影響可以成像的化合物。 作為一個例子,他指出了神經遞質的衍生化,這不容易通過成像 MS 檢測到。“不過,組織衍生化使這些分子更易於檢測,”他說。
圖片:大鼠腦的分子組織學。圖片由布魯克提供。
甚至在最近,批評 MALDI 成像的科學家們經常說“你得到了成像 MS 所得到的東西”。“現在,我們正在進入下一階段,我們能夠控制我們可以成像的化合物,”Cornett 解釋說。為此,科學家需要更好的方法來製備樣品,而供應商正在提供它們。“該領域已經發展到支持樣品製備作為一個獨立的子行業,”Cornett 說。
打開翻譯
要探索成像 MS 的更多應用,沒有人比斯坦福大學摩爾生物化學主席兼范德比爾特大學醫學院質譜研究中心主任 Richard M. Caprioli 更好。他是第一個使用 MS 作為成像技術的人。
對於 Caprioli 來說,成像 MS 最令人興奮的方面是觀察該技術作為解剖病理學形式在臨床中的轉化。“成像 MS 允許病理學家檢查活檢並做出分子決定——而不是主觀決定——是否是癌症,或者是 2 級還是 3 級,”他說。“這不是基於染色後樣品的外觀,而是基於分子構成。”
目前,這種方法還沒有被批准用於臨床,但 Caprioli 說,“它或多或少已經準備好了。” 將成像 MS 開發到可用於病理實驗室的程度已經花費了數年時間,現在它已接近準備就緒。“需要做得更好的是使儀器適應特定應用,”Caprioli 說。
“病理實驗室可能不需要研究級儀器的花里胡哨。” 簡而言之,該技術需要更易於使用,這可以通過將成像 MS 平台簡單地轉變為滿足特定病理學需求的專門工具來實現。“也許它的設計目的是讓病理學家只需在這里或那裡按一下按鈕,甚至不需要查看光譜,”Caprioli 設想。“相反,你可以用計算機搜索 8 到 12 種蛋白質的特徵,如果它們在樣本中,那麼就可以輕鬆準確地識別出疾病。”
技術曲線
隨著技術的進步,成像 MS 的研究應用也得到了改進。JEOL USA 質譜產品經理 Robert Cody 談到了成像 MS 如何從二次離子質譜 (SIMS) 和激光微探針質量分析儀開始。正如他所說,“SIMS 仍然是一種極其重要的 MS 成像方法,但它並不總是提供有關有機分子組成的易於解釋的信息。” 他說 MALDI 是“最著名、最成熟的質譜成像技術”。
為了以更自然的狀態分析樣品,科學家們通常會選擇某種形式的環境電離,例如解吸電噴霧電離 (DESI)。Cody 稱其為“最完善且商業化的環境電離成像技術”。
Xin Yan——斯坦福大學瑪格麗特布萊克威爾伯自然科學教授 Richard Zare 實驗室的博士後學生——和其他斯坦福科學家使用 DESI 成像 MS,Zare 說,“檢查小鼠大腦以了解衰老機制,他們已經發現了幾種分子,包括來自大腦不同結構的脂質和氨基酸,這些分子隨著年齡的變化而有所不同。” Zare 補充說:“為什麼這讓我興奮是一個瘋狂的夢想,即通過服用某種藥物可能逆轉這些變化,從而逆轉大腦衰老!”
其他技術組合也有望推動成像 MS 向前發展,而且示例很容易找到。“我們在質譜成像方面的進步源於與客戶的合作以及他們的創新與我們的技術相結合,”Cody 說。
“JEOL 和大阪大學開發了 SpiralTOF MALDI 成像系統,該系統具有獨特的離子光學器件,可在 1 米的緊湊空間內提供 17 米的離子飛行路徑。” 他補充說:“長航程使得獲得超高分辨率質譜成為可能,但它也對 MALDI/飛行時間質譜成像具有重要意義。” 樣品中的顛簸改變了飛行時間,從而降低了數據的準確性,但是使用如此長的飛行路徑減少了由於樣品平坦度的微小變化而引起的飛行時間的變化。
Cody 看到了 MS 成像背後技術的其他令人興奮的進步。他提到的另一個是由奧爾巴尼大學的 Rabi Musah 和她的學生 Kristen Fowble 開發的激光消融 DART(實時直接分析)成像 (LADI)。“Fowble 訪問了我們的實驗室並設置了 LADI 設備,以獲取來自美國魚類和野生動物法醫實驗室的 Ed Espinoza 提供的瀕危物種硬木的高分辨率圖像,”Cody 說。“巴西紅木和桃花心木等硬木的圖像提供了對木材解剖結構的洞察,支持使用 DART 識別非法交易的木材,並有助於了解木結構的化學功能。”