王雨芬 盧海艷 張華 陳煥文

摘要組織樣品中含有豐富的生物分子信息，是代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等研究的物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來，大氣壓質(zhì)譜分析（AMS）技術(shù)因具有無需樣品預(yù)處理即可直接獲取組織樣品中生物分子種類及含量信息的能力，在組織樣品分析中突顯了高通量、高靈敏度、高準(zhǔn)確性、低樣品耗量的特點，已逐漸成為分析組織樣品不可或缺的手段。本文以常見的植物、動物和臨床術(shù)后組織樣品為代表，介紹了近年來AMS技術(shù)在組織樣品分析中的應(yīng)用進(jìn)展，結(jié)合成像技術(shù)，討論了組織樣品AMS的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞大氣壓質(zhì)譜; 組織分析; 質(zhì)譜成像; 評述

1引 言

組織樣品中含有豐富的代謝產(chǎn)物、蛋白質(zhì)等生物分子，是采用質(zhì)譜（MS）技術(shù)進(jìn)行代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等研究的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。傳統(tǒng)質(zhì)譜技術(shù)（包括液相色譜質(zhì)譜（LCMS）技術(shù)和氣相色譜質(zhì)譜（GCMS）技術(shù)等）對組織樣品分析時，需要對樣品進(jìn)行研磨、萃取、分離等預(yù)處理，極大地制約了樣品高通量分析的實際需求。AMS技術(shù)為直接分析復(fù)雜基體樣品提供了可能[2]，例如，電噴霧解吸電離（DESI）技術(shù)[3]、空氣動力輔助解吸電噴霧電離（AFADESI）技術(shù)[4]、表面解吸化學(xué)電離（DAPCI）技術(shù)[5]、實時直接分析（DART）技術(shù)[6]、智能手術(shù)刀（iKnife）[7]、SpiderMass[8]及“神筆”（MasSpec Pen）[9]等已廣泛應(yīng)用于各類組織樣品的研究，并為組織樣品的大氣壓質(zhì)譜成像（MSI）提供了新的思路[10]。

大氣壓質(zhì)譜分析的顯著特點是：各種復(fù)雜實際樣品無需預(yù)處理或僅需簡單預(yù)處理，常溫常壓條件下對待測樣本中目標(biāo)分子進(jìn)行電離，以質(zhì)譜儀進(jìn)行高靈敏、高選擇性在線檢測。因此，只要符合這一特征的技術(shù)，都可認(rèn)為是大氣壓質(zhì)譜分析的范疇。目前，已有很多綜述對AMS技術(shù)原理及其發(fā)展歷程做了詳細(xì)介紹[11～13]。因此，本文介紹了近年來各種大氣壓質(zhì)譜分析及成像技術(shù)在植物、動物和臨床術(shù)后組織樣品分析中的應(yīng)用，展望了其在組織樣品分析方面的發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(zhàn)。

2植物組織分析

植物組織的大部分天然產(chǎn)物在人們生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重要的作用，是傳統(tǒng)藥物研制及香料、色素、調(diào)味品、化妝品等重要工業(yè)原料的來源，但是也包含了很多有害物質(zhì)（如毒性成分或者農(nóng)殘），給人體健康帶來了潛在的危險。傳統(tǒng)分析方法耗時費力，不適合大量樣品篩選。AMS技術(shù)可以快速、原位分析不同維度的組織樣本，如部分組織的表層、淺表層甚至是組織內(nèi)部，同時結(jié)合成像技術(shù)表征了組織中分子的分布信息。

2.1組織表層分析

植物不同部位組織的質(zhì)地及其含有的化合物在性質(zhì)上具有一定的差異性，因此選擇適宜的AMS技術(shù)對其進(jìn)行靈敏檢測是必要的?；陔妵婌F離子化的DESI依靠噴霧溶劑從樣品表面解吸目標(biāo)物，是目前使用最廣泛的一種技術(shù)。例如，部分植物組織質(zhì)地相對較硬，傳統(tǒng)質(zhì)譜技術(shù)需進(jìn)行常規(guī)研磨后再用溶劑進(jìn)行萃取，操作過程比較耗時且費力。Klejdus等[14]首次對桂皮進(jìn)行簡單處理，運用DESIMS對其中的酚類代謝產(chǎn)物進(jìn)行檢測，為分析傳統(tǒng)藥物中的活性成分提供了有效手段。另外，AMS 技術(shù)還可鑒別植物表面的農(nóng)殘等有害物質(zhì)，為保障農(nóng)產(chǎn)品安全提供了技術(shù)支撐。例如，Rocca等[15]采用DESIMS定量測定了橄欖和葡萄藤葉片表面的樂果、肟菌酯、戊唑醇等農(nóng)殘。植物表皮細(xì)胞的腺毛能夠分泌特殊的代謝產(chǎn)物，可根據(jù)檢測的化合物推測且闡明細(xì)胞類型，為研究植物代謝新機(jī)制提供新手段[16]。傳統(tǒng)的LCMS等使用研磨法進(jìn)行預(yù)處理，不能實時在線分析，無法確定細(xì)胞類型。Freund等[17]利用葉噴霧質(zhì)譜（LeafsprayMS）技術(shù)，直接分析了美國甘草完整葉片組織表面的異黃酮、黃酮等代謝成分，快速鑒定了腺毛層的代謝產(chǎn)物，有助于闡明細(xì)胞類型（圖1A）。另外，基于等離子體的大氣壓電離方法（包括DART、介質(zhì)阻擋放電電離（DBD）、低溫等離子體探針電離（LTP）等），因其簡單、便攜、低功耗等特點被廣泛應(yīng)用到植物組織分析中。例如，Prchalova等[18]運用DARTMS直接表征了多種草藥茶中不同部位的根、葉、花和果實中的糖苷、黃酮類、酚類和萜烯類成分，利用主成分分析法（PCA）區(qū)分了不同種類的中草藥且有效監(jiān)控其品質(zhì)問題。采用激光促進(jìn)樣品解吸的大氣壓質(zhì)譜離子源，其相比于單一的離子源（電噴霧或等離子體），將二者耦合不僅縮短了時間，還減少了所需樣本量，更有效地促進(jìn)解吸，具有更高的靈敏度[19]。例如，Bierstedt等[20]將激光剝蝕（LA）與DBDMS結(jié)合分析了辣椒中的生物堿，大大提高了靈敏度和響應(yīng)時間等分析性能（圖1B）。

目前，研究人員對植物防御功能的研究較多。AMS技術(shù)為從分子水平揭示植物防御功能機(jī)理提供了手段，其不僅為設(shè)計開發(fā)具備耐受環(huán)境侵害且高產(chǎn)量的農(nóng)作物產(chǎn)生影響，一定程度上也為闡明人類疾病發(fā)生機(jī)制提供參考。如Martinez Jarquin等[21]采用LTPMS在線監(jiān)測了煙草組織受損后尼古丁的生物合成途徑，發(fā)現(xiàn)煙草組織受損后，其根部組織會合成尼古丁，然后運輸?shù)饺~片，評估了其可能存在的生物防御效應(yīng)。另外，植物防御機(jī)制涉及的有機(jī)硫化物，因其留存時間不長，在一般分析技術(shù)條件下容易降解，大氣壓質(zhì)譜技術(shù)可以彌補其缺陷，對其進(jìn)行原位追蹤。He等[22]采用DARTMS技術(shù)成功追蹤了部分蔥屬類中的硫化物，結(jié)合同位素標(biāo)記對其進(jìn)行了定量分析。

2.2組織內(nèi)部分析

大氣壓質(zhì)譜分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于分析植物組織的淺表層或表層，然而大部分常規(guī)離子源很難從組織內(nèi)部獲取生物信息，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。針對這些問題，本課題組于2013年提出了內(nèi)部萃取電噴霧電離質(zhì)譜（iEESIMS）技術(shù)[23，24]，在不破壞樣品的前提下直接獲取凝聚態(tài)整體組織樣品（如動植物和人體組織）內(nèi)部的化學(xué)信息。例如， Zhang等[25]運用iEESIMS鑒定了臍橙中的高極性化合物（氨基酸、生物堿、糖）。另外，iEESIMS在監(jiān)測組織中的不穩(wěn)定活性物質(zhì)體現(xiàn)了其優(yōu)勢。例如，Zhang等[26]運用iEESIMS對大蒜中酶促反應(yīng)進(jìn)行了直接表征，成功監(jiān)測了不同外界刺激條件下蒜氨酸在蒜氨酸酶作用下轉(zhuǎn)化為蒜素的動態(tài)代謝過程，拓展了大氣壓質(zhì)譜分析技術(shù)的具體應(yīng)用范圍。然而，iEESIMS主要用于分析凝聚態(tài)軟質(zhì)固體樣品。最近，本課題組Shen等[27]在電噴霧電離（ESI）的基礎(chǔ)上設(shè)計了單粒電噴霧電離質(zhì)譜（SGESI）技術(shù)，可以用來分析硬質(zhì)固體樣本，半定量分析了單粒水稻中的脂肪酸含量和有機(jī)農(nóng)藥等，檢出限（LODs）為0.11～1.30 ng/g，區(qū)別了不同產(chǎn)地和儲存時間水稻間的差異性，用于水稻的品質(zhì)評價。

2.3組織大氣壓質(zhì)譜成像分析

質(zhì)譜成像是指將質(zhì)譜技術(shù)和圖像處理軟件相結(jié)合的一種新型分子成像技術(shù)，能夠直觀提供樣品中分子空間分布信息[28]。相比于傳統(tǒng)的成像技術(shù)，大氣壓質(zhì)譜成像無需熒光及同位素標(biāo)記，能夠保證樣品原始的形態(tài)和特征無損，從而獲取組織切片中的關(guān)鍵物質(zhì)分布信息。同時，與二次離子質(zhì)譜（SIMS）和基質(zhì)輔助激光解吸質(zhì)譜（MALDIMS）成像技術(shù)相比，大氣壓質(zhì)譜成像技術(shù)不需要在高真空條件下進(jìn)行測定，也不需要額外的基質(zhì)輔助，可以進(jìn)行實時原位分析，彌補了空間分析能力的局限性。

如前所述，植物中存在的天然活性成分，很多具有重要的生物學(xué)功能，研究其功能需了解這些物質(zhì)在組織中的具體分布，大氣壓質(zhì)譜成像技術(shù)可以原位對組織中的物質(zhì)分布實現(xiàn)可視化。例如，Enomoto等[29]采用DESIMSI分析未成熟菜豆種子中的脫落酸（ABA）和12氧植物二烯酸（OPDA）的分布情況，利用大氣壓質(zhì)譜成像技術(shù)首次實現(xiàn)了植物激素可視化分析。盡管成像技術(shù)彌補了AMS在空間可視化的缺陷，但是目前大氣壓質(zhì)譜成像技術(shù)還尚未完全成熟，仍需提升空間分辨率和檢測靈敏度等。激光剝蝕技術(shù)結(jié)合大氣壓離子源，具有較高空間分辨率且可以成像不規(guī)則表面，因其可以穿透組織細(xì)胞壁、角質(zhì)層等表面而被廣泛應(yīng)用[30]。最近，F(xiàn)owble等[31]基于DART開發(fā)了激光剝蝕實時在線分析（LADIMS）技術(shù)，首次分析了罌粟、木曼陀羅等中阿托品和東莨菪堿等物質(zhì)合成過程中精氨酸、托品酮等的分布情況。Stopka等[32]在激光剝蝕電噴霧電離成像（LAESIMSI）技術(shù)上結(jié)合21特斯拉傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜（21TFTICR），提高了分辨率，監(jiān)測了葉片組織葉綠素a的同位素結(jié)構(gòu)信息及其分布情況，為識別同位素分子提供了新的平臺。Moreno等[33]在LTPMSI系統(tǒng)上安裝了激光解吸（LD），對仙人掌中的麥司卡林、曼陀羅種子中的阿托品及煙草幼苗中的尼古丁等空間分布情況進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明，生物堿可能主要富集在害蟲出現(xiàn)的區(qū)域，揭示了植物防御中的生物學(xué)功能。

3動物組織分析

大氣壓質(zhì)譜結(jié)合成像技術(shù)用于動物組織分析主要包括監(jiān)測動物組織中內(nèi)源性物質(zhì)及外源性物質(zhì)，具體在病理研究、藥物研究、環(huán)境監(jiān)測和食品安全等領(lǐng)域研究頗多。

3.1內(nèi)源性物質(zhì)分析

目前，對動物組織中的內(nèi)源性物質(zhì)進(jìn)行分析常涉及病理研究，實時檢測生物體內(nèi)內(nèi)源性物質(zhì)的動力學(xué)特征是分析檢測和生物領(lǐng)域的挑戰(zhàn)之一[34]。大氣壓質(zhì)譜為活體生物分析提供了可能，能夠在活體內(nèi)原位檢測內(nèi)源性物質(zhì)。例如，Zaitsu等[35]采用探針電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜（PESIMS/MS）實時分析了注入1型大麻素受體（CB1R）后小鼠腦組織中能量代謝物的動力學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)CB1R會破壞大腦腦組織中的能量代謝過程。通常，大腦組織具有區(qū)域功能，因此， 對不同區(qū)域的代謝產(chǎn)物進(jìn)行研究是必要的。Hayashi等[36]采用PESIMS/MS直接分析了小鼠大腦海馬區(qū)和額葉皮中25種代謝產(chǎn)物，MS/MS提高了檢測的靈敏度，運用PCA很好地區(qū)別了海馬區(qū)和額葉皮組織，同時揭示了額葉皮質(zhì)和海馬區(qū)組織代謝水平的差異性，為病理研究提供全面有效的參考價值。近年來，越來越多的研究表明生物體內(nèi)的脂質(zhì)常常和某些疾病的發(fā)生密切相關(guān)，如阿爾茲海默癥病、糖尿病及癌癥等[37]。利用大氣壓質(zhì)譜成像技術(shù)，根據(jù)生物體內(nèi)代謝產(chǎn)物的含量和分布，進(jìn)一步推測代謝途徑及病理關(guān)系。Bergholt等[38]運用 DESIMSI分析了大鼠腦組織中的脂質(zhì)和多發(fā)性硬化癥的關(guān)系，首次表明多發(fā)性硬化癥中的再生髓鞘和正常髓鞘中的磷脂酰膽堿（PC）和磷脂酰乙醇胺（PE）的差異性。Wang等[39]將三氟乙酸作為添加劑提高DESIMS檢測腦組織中膽固醇和其它代謝產(chǎn)物的靈敏度，發(fā)現(xiàn)阿爾茲海默癥病（AD）小鼠腦組織切片中膽固醇含量相對偏高。結(jié)合成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)小腦、脊髓、髓質(zhì)等區(qū)域的膽固醇含量增加，還發(fā)現(xiàn)大腦不同區(qū)域的天冬氨酸、谷氨酸及次黃嘌呤等分布的差異性， 揭示其在神經(jīng)學(xué)科等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，為尋找AD潛在生物標(biāo)記物提供了有價值的信息。Yin等[40]等運用納米解吸電噴霧電離質(zhì)譜成像（nanoDESIMSI）技術(shù)對小鼠胰島中的PC、鞘磷脂（SM）、磷脂酰肌醇（PI）等脂質(zhì)進(jìn)行空間定位，分辨率可以達(dá)到11 μm，發(fā)現(xiàn)胰島和其周圍組織中的脂質(zhì)存在差異性，這可能與胰島素的分泌過程有關(guān)，有望揭示疾病發(fā)生的基本機(jī)制。然而， 脂質(zhì)物質(zhì)包含著大量的同分異構(gòu)體，不同結(jié)構(gòu)的異構(gòu)體在疾病的發(fā)生發(fā)展過程中可能發(fā)揮不同的作用[41]。近年來，對不飽和脂質(zhì)異構(gòu)體中雙鍵位置進(jìn)行研究成為脂質(zhì)組學(xué)研究的熱點。例如，Tang等[42]利用液相微臨界表面取樣探針質(zhì)譜（LMJSSPMS）耦合PaternòBüchi（PB）光反應(yīng)分析正常小鼠乳腺組織和乳腺癌小鼠中不飽脂質(zhì)位置異構(gòu)體的差異性，結(jié)合MS/MS研究發(fā)現(xiàn)，磷脂（PC16∶0/18∶1）位置異構(gòu)體中（9Z）/（11Z）含量的比值明顯存在差異。最近，Waldchen等[43]運用基質(zhì)MALDIMSI耦合PB光反應(yīng)，用二苯甲酮作為新型反應(yīng)基質(zhì)，分析了小鼠腦組織白質(zhì)和灰質(zhì)中不飽和脂質(zhì)位置異構(gòu)體分布的差異性。然而，目前利用大氣壓質(zhì)譜成像技術(shù)分析組織中脂質(zhì)異構(gòu)體的分布相關(guān)研究甚少，此方法的進(jìn)一步發(fā)展將會成為很有前途的脂質(zhì)組學(xué)研究手段。

基于質(zhì)譜的疾病蛋白組學(xué)研究也是當(dāng)前的研究熱點，通過尋找疾病特應(yīng)性蛋白可以為藥物設(shè)計提供豐富的靶點，在新藥物開發(fā)中具有重要意義。但是，蛋白質(zhì)等大分子很難從樣品中解吸，同時也受到小分子物質(zhì)的抑制作用，因此直接在生物樣品上鑒定蛋白質(zhì)等大分子信息仍然具有挑戰(zhàn)性[44]。目前，MALDIMSI在組織切上可以得到單電荷蛋白質(zhì)大分子的空間部分情況，但是其需要另外的基質(zhì)輔助，具有一定的局限性。大氣壓質(zhì)譜成像可以直接對生物樣品上的大分子蛋白成像，而且可以檢測多電荷的離子，擴(kuò)大了分析范圍。 例如，F(xiàn)eider等[45]將LMJSSP和高場不對稱波形離子遷移譜（FAIMS）結(jié)合對大鼠腦組織進(jìn)行二維（2D）成像，F(xiàn)AIMS可以明顯增強生物組織中的多電荷蛋白成像能力，可視化大鼠腦組織中的84種多電荷蛋白質(zhì)，圖像清楚地顯示了大鼠腦白質(zhì)中含有更多的蛋白質(zhì)（圖2）。Hsu等[46]無需胰蛋白酶前期處理，將顯微鏡和nanoDESIMS結(jié)合自上而下分析了成年水蛭神經(jīng)節(jié)中的多電荷神經(jīng)血紅蛋白，同時結(jié)合肽序列標(biāo)簽法確定了編碼多肽的基因。

近年來，仿生材料已成為材料科學(xué)與工程發(fā)展的重要研究方向之一，且仿生材料的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域就是生物醫(yī)用材料[47]。自然界中生物的表面具有特殊性質(zhì)，對材料科學(xué)領(lǐng)域提供了新的思路，因此對其進(jìn)行直接分析十分必要。Roman等[48]運用LAESIMSI對干燥、薄的生物樣品表面直接分析成像，鑒別了蟬的翅膀中烴類、脂質(zhì)、酯類、胺類、酰胺類等化合物的分布情況， 用于闡明天然生物材料的物理結(jié)構(gòu)化學(xué)成分生物功能間的關(guān)系，為研究功能生物材料奠定了一定的基礎(chǔ)（圖3A）。

3.2外源性物質(zhì)分析

3.2.1藥物研究及環(huán)境監(jiān)測藥物研發(fā)過程中，了解藥物在動物組織的靶向分布及原位信息對于藥物吸收、代謝等情況具有重要意義，同時對藥效動力學(xué)及毒理學(xué)評價等研究也具有指導(dǎo)作用，大氣壓質(zhì)譜成像技術(shù)為其提供了技術(shù)支撐[49]。例如，Xu等[50]采用液相萃取表面串聯(lián)質(zhì)譜分析（LESAMS/MS）分析了羅替戈汀在大鼠腦組織不同區(qū)域的分布情況，最低定量限（LLOQ）為0.05 ng/mL，結(jié)合成像技術(shù)表明羅替戈汀分布在大腦中的海馬區(qū)和紋狀體區(qū)域。此外，Burns等[51]采用LMJSSPMS非靶向快速篩選和鑒定了牛肝、豬腎、馬脾、馬腎中的氟尼辛、替米考星、氯胺酮、戊巴比妥等的殘留情況，用以獸醫(yī)毒理學(xué)診斷。當(dāng)今環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，大氣壓質(zhì)譜分析還可通過檢測動物組織中積累的有毒化合物來監(jiān)測環(huán)境污染程度。Perez等[52]運用DESIMSI首次報道了毒性液體季銨鹽離子液體（AMMOENG 130）在斑馬魚全身的分布和代謝情況，用來監(jiān)測環(huán)境中的污染物，為研究小型水生生物的生態(tài)毒理學(xué)開辟新的途徑（圖3C）。

3.2.2食品安全分析當(dāng)今，人們對食品的安全及品質(zhì)要求越來越高，大氣壓質(zhì)譜技術(shù)為食品安全提供了有效可行的手段，在原位監(jiān)測食品安全和質(zhì)量等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。Chakrabarty等[53]基于大氣固體分析探針（ASAPMS）技術(shù)和改良電噴霧電離質(zhì)譜（MDESIMS）技術(shù)快速半定量分析了羊肉切片中齊帕特羅的含量，結(jié)果表明， ASAP檢測的LOD為0.4～1.0 ng/g，LOQ為0.4～1.2 ng/g，MDESI的LOD為0.2～0.6 ng/g，LOQ為0.5～2.1 ng/g，體現(xiàn)了其在食品安全質(zhì)控方面的潛在應(yīng)用價值。盧海艷等[54]運用iEESIMS技術(shù)定性檢測了豬肉中的克倫特羅和丙卡特羅，Xu等[55]定量分析了豬肉中6種瘦肉精的含量，線性檢測范圍0.01～1000 ug/kg（R2>0.9994），LOD為2 ng/kg（圖3B）。另外，Lu等[56]直接從分子水平研究了克倫特羅和沙丁胺醇代謝對豬肉品質(zhì)的影響，研究發(fā)現(xiàn)磷脂酰膽堿的含量與豬肉品質(zhì)密切相關(guān)。

4臨床術(shù)后組織分析

當(dāng)前， 在中國，80%的疾病死亡率是由癌癥引起的[57]?；诖髿鈮嘿|(zhì)譜成像分析的性能優(yōu)勢，目前已應(yīng)用到臨床術(shù)后多種癌癥類型組織的研究中（如腦膠質(zhì)瘤、甲狀腺癌、食管癌、乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌、大腸癌、皮膚癌等），利用其對組織進(jìn)行原位代謝、蛋白組學(xué)等的研究，進(jìn)而更全面、高通量地表征腫瘤微區(qū)域環(huán)境代謝等的變化，為在臨床上對腫瘤邊緣進(jìn)行評估、潛在標(biāo)志物的尋找、研究腫瘤代謝機(jī)制、靶向腫瘤藥物研制等提供新的視角，作為癌癥診斷的潛在臨床新方法，大氣壓質(zhì)譜成像技術(shù)為其診斷提供了廣闊前景[58，59]。

4.1體外分析

當(dāng)前，臨床術(shù)中邊緣評估操作流程繁瑣，需要冷凍切片、染色和顯微鏡觀察，而且只能在形態(tài)上識別癌癥邊緣，難免存在人為誤判斷的潛在風(fēng)險，也無法提供分子水平的信息。常規(guī)的質(zhì)譜技術(shù)（LCMS）處理組織樣本不僅費時，而且處理后的樣本無法再進(jìn)行后續(xù)的組織學(xué)研究。AMS技術(shù)能對新鮮或冷凍的組織樣品進(jìn)行原位分析，保留了樣品的關(guān)鍵特征的同時還可進(jìn)行后續(xù)的組織學(xué)研究[60]。 Pirro等[61]在手術(shù)室中僅用3 min，直接對腦膠質(zhì)瘤新鮮組織切片進(jìn)行了邊緣評估，無需冷藏切片，直接分析了樣本中的脂質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)， DESIMS具有93%的敏感性和83%的特異性。Ashizawa等[62]建立了一種快速準(zhǔn)確的術(shù)中評估方法（該過程僅需約5 min），運用PESIMS識別頭頸部鱗狀細(xì)胞癌的腫瘤邊緣，結(jié)合偏最小二乘回歸（PLS）統(tǒng)計學(xué)方法和邏輯回歸分類（LR）模型算法，在正離子和負(fù)離子模式下，該方法的準(zhǔn)確率分別為臨床病理診斷的90.48%和95.35%。目前，小型質(zhì)譜儀也運用到疾病診斷中。Zou等[63]將納升電噴霧電離（nanoESI）和Mini 12小型質(zhì)譜結(jié)合，實時檢測了腦膠質(zhì)瘤活檢組織樣品中的2羥基戊二酸（2HG），充分展現(xiàn)其在醫(yī)療檢測領(lǐng)域的巨大潛力。然而，小型質(zhì)譜儀的靈敏度和特異性不高，對組織樣品直接進(jìn)行鑒定具有一定的局限性。

腫瘤細(xì)胞通過代謝重新編程以適應(yīng)其惡性增殖，是區(qū)別于正常細(xì)胞的重要特征[64]。因此癌變組織與健康組織間存在復(fù)雜的代謝差異，大氣壓質(zhì)譜成像可以量化這些化學(xué)差異，是在分子水平上對腫瘤組織可視化的有力工具，從樣品上挖掘出更多的信息，獲取待測分子間的空間關(guān)系，對腫瘤代謝進(jìn)行深入表征， 能夠為研究其發(fā)病機(jī)制及發(fā)現(xiàn)潛在診療靶點提供新的契機(jī)。例如，Margulis等[65]采用DESIMS對微米級別的基底細(xì)胞瘤（BCC）中的脂質(zhì)和代謝產(chǎn)物進(jìn)行二維（2D）成像，并采用最小絕對收縮和選擇算子（Lasso）對健康皮膚組織和BCC進(jìn)行了區(qū)別。Zhang等[66]運用DESIMS對甲狀腺組織進(jìn)行2D成像，發(fā)現(xiàn)心磷脂在癌變組織中含量相對較高，可以作為潛在的生物標(biāo)志物。Sun等[67]提出了“下游代謝物關(guān)聯(lián)上游代謝酶”的腫瘤代謝表征策略，利用空氣動力輔助解吸電噴霧電離質(zhì)譜成像（AFADESIMSI）技術(shù)在空間上對256例食管鱗狀細(xì)胞癌（ESCC）患者組織中的各種代謝途徑進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了與代謝途徑改變密切相關(guān)的異常表達(dá)的代謝酶，它們廣泛參與ESCC的癌變過程，首次發(fā)現(xiàn)PYCR2和UPase1在ESCC組織中差異表達(dá)（圖4A）。Banerjee等[68]運用DESIMS結(jié)合成像技術(shù)分析了54例前列腺正常和癌變組織中的小分子脂質(zhì)和代謝產(chǎn)物差異性，同時監(jiān)測了三羧酸循環(huán)過程的中間體物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)與正常組織相比，利用癌變組織中葡萄糖和檸檬酸根離子強度的比值可以區(qū)分前列腺癌變組織與正常組織（圖4B）。

此外，直接對組織的天然蛋白進(jìn)行成像是目前研究的重點，同時也是所面臨的挑戰(zhàn)之一，尋找特異性蛋白對于臨床上診斷癌癥有著重要的意義。例如，F(xiàn)eider等[45]采用LMJSSPFAMSIMS對高級別漿液性卵巢癌（HGSC）組織中的蛋白質(zhì)（泛素、胸腺素β4、血紅蛋白、鈣周期蛋白）進(jìn)行2D成像，研究發(fā)現(xiàn)腫瘤區(qū)域的泛素、胸腺素β4及鈣周期蛋白等相對含量多，這是首次在人類癌癥組織進(jìn)行蛋白成像的研究。之后，Garza等[69]采用DESIFAMSIMS結(jié)合紫外光解離（UVPD）和碰撞誘導(dǎo)解離（CID）自上而下鑒定了乳腺組織中的16種蛋白質(zhì)，分析了Her2導(dǎo)管乳腺癌和正常組織，發(fā)現(xiàn)正常組織中的前纖維蛋白1和血紅蛋白α等相對含量較高，而S100蛋白在腫瘤組織含量較高（圖4C）。目前，大部分成像技術(shù)還是基于2D成像，如果能夠在三維（3D）空間內(nèi)對腫瘤中化學(xué)成分進(jìn)行描述，就有可能對其生物組成、相互作用和異質(zhì)性原因做出解釋。例如，Inglese等[70]運用DESIMS結(jié)合成像技術(shù)分析直腸癌組織，將其得到的2D代謝產(chǎn)物圖像進(jìn)行3D重建，對研究腫瘤異質(zhì)性、研發(fā)腫瘤靶向藥物及個體化腫瘤治療具有重要意義。

4.2體內(nèi)分析

大氣壓質(zhì)譜在臨床上潛在的應(yīng)用須使其在術(shù)中發(fā)揮作用，運用到體內(nèi)分析，進(jìn)而實時診斷，而大氣壓質(zhì)譜離子源的不斷開發(fā)是非常必要的。目前，iKnife、SpiderMass及MasSpec Pen等方法有望用于體內(nèi)實時診斷。iKnife 是目前開發(fā)的第一個手持式質(zhì)譜分析儀，其能夠通過外科設(shè)備產(chǎn)生的熱進(jìn)而誘導(dǎo)樣品分子氣化和電離，進(jìn)而對手術(shù)過程中產(chǎn)生的煙霧實時分析，能幫助外科醫(yī)生切除更多的癌變組織，同時還可以降低對腫瘤周邊組織的傷害，用于體內(nèi)癌癥診斷[71]。例如，John等[72]采用REIMS分析了正常乳腺和癌變?nèi)橄俳M織中脂質(zhì)代謝化合物的不同，研究發(fā)現(xiàn)， 癌癥組織中的磷脂（m/z 600～850）物質(zhì)含量較高，甘油三酸脂（m/z 850～1000）的含量相對較低，同時提出了體內(nèi)實時評估腫瘤邊緣的概念模型，具有提升術(shù)中腫瘤邊緣評估的精準(zhǔn)率的潛在能力。Alexander等[73]開發(fā)了一種內(nèi)窺鏡REIMS，實時分析了大腸癌中的脂質(zhì)信息，并提出了該裝置在術(shù)中對5名患者進(jìn)行體內(nèi)分析的可行性。Phelps等[7]預(yù)先使用冷凍的卵巢組織建立模型，然后再用新鮮組織進(jìn)行驗證。運用REIMS對良性卵巢組織、交界性腫瘤和癌組織診斷的敏感性分別為87.0%、71.4%和87.2%，一定程度上說明了REIMS作為術(shù)中卵巢癌診斷的可行性（圖5A）。與iKnife分析系統(tǒng)不同，SpiderMass的主要優(yōu)勢是侵入性較小，所需要的組織樣本量僅為0.1～0.3 mm3。Fatou等[8]運用SpiderMass系統(tǒng)體外對正常卵巢組織和卵巢癌組織進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)癌變組織中磷脂的相對豐度很高，具有在術(shù)中評估腫瘤邊緣的潛在能力。此外，利用其在體內(nèi)對手指表面的皮膚組織與損傷組織進(jìn)行了分析，說明SpiderMass能夠在微創(chuàng)條件下進(jìn)行體內(nèi)實時分析（圖5B）。Zhang等[9]運用MasSpec Pen離體分析253個組織樣本，包括正常和癌變的肺、卵巢、甲狀腺及乳腺組織，能夠在短時間（幾秒鐘）區(qū)分癌變組織和正常組織，是目前病理診斷手段所需時間的1/150（圖5C）。

5總結(jié)和展望

本文主要對大氣壓質(zhì)譜分析技術(shù)在植物、動物和臨床術(shù)后組織方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，結(jié)合成像技術(shù)開展大量與組織樣本相關(guān)的研究工作，主要應(yīng)用集中在藥物研發(fā)、疾病診斷、食品安全、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。然而，大氣壓質(zhì)譜和成像技術(shù)在某些方面還面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，例如，對沒有預(yù)處理的組織樣本直接定量分析是當(dāng)前亟需解決的問題。在定性分析的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)精準(zhǔn)定量依然是核心研究領(lǐng)域。 今后，大氣壓質(zhì)譜技術(shù)完全運用到臨床癌癥診斷中，必需解決如何定量的問題，精確判定“量變到質(zhì)變”的分子界限; 其次，儀器分析的靈敏度、分辨率等需要進(jìn)一步提高。圍繞這些挑戰(zhàn)，大氣壓質(zhì)譜和成像技術(shù)在當(dāng)前需要重點研究的內(nèi)容包括以下幾個方面： 首先，需進(jìn)一步開發(fā)新型的大氣壓質(zhì)譜電離平臺以及小型化的質(zhì)譜儀，尤其能夠?qū)崿F(xiàn)采樣過程自動化，靈敏地對組織中的各類物質(zhì)進(jìn)行有效電離并且檢測的質(zhì)譜儀，同時向小型、便攜、簡單的方向發(fā)展，對現(xiàn)場實現(xiàn)真正的原位分析，尤其在臨床疾病診斷中，使其能夠適用于體內(nèi)分析; 其次，大氣壓質(zhì)譜成像作為新型的質(zhì)譜成像技術(shù)，需進(jìn)一步提高成像的空間分辨率、靈敏度及自動化程度等; 再者，有必要開發(fā)更有效的軟件和統(tǒng)計方法，更好地解釋成像數(shù)據(jù)，結(jié)合目前計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中的人工智能，對質(zhì)譜成像圖像進(jìn)行更智能地解釋。因此，推動大氣壓質(zhì)譜新型離子化技術(shù)、精準(zhǔn)分析、質(zhì)譜成像及儀器小型智能化仍是當(dāng)前的研究重點。

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