基于微液流表面采样与组织印记技术的空间分辨前处理平台及其代谢组质谱成像应用研究

To solve the current problems of mass spectrometry imaging including low sensitivity, high matrix effect and low quantitation capability, tissue imprinting and continuous-flow liquid micro-junction surface sampling techniques will be combined to realize spatially resolved sample preparation platform for purification, enrichment and desorption of endogenous metabolites in tissue, and then the platform will be coupled with liquid chromatography-mass spectrometry system to realize quantitative mass spectrometry imaging with high sensitivity. Project will be focused on development of novel tissue imprinting coatings, including selective coatings for metabolites with low response and low abundance, and hybrid nanomaterials coating with high extraction capacity and metabolites coverage. Moreover, calibration methods previously proposed for quantitation in solid phase micro-extraction will be used to develop absolute quantitation methods of endogenous metabolites in tissue here. Finally, this method will be applied to metabolomic mass spectrometry imaging of brain tissue, and finding of more biomarkers for pathology and drug therapy of brain diseases. It is expected that the new technique can move mass spectrometry imaging technique forward on the road to be more reliable analytical basis of biological researches or medical diagnosis in the future.

项目针对目前质谱成像技术灵敏度低、基质效应高以及定量能力差的问题，将组织印记萃取(Tissue Imprinting)技术与连续液流微液接点(Continuous-Flow Liquid Micro-junction, 简称微液流)表面采样技术联用实现具有空间分辨率的代谢物纯化、富集以及高效解析的前处理平台，再将平台在线联用液相色谱质谱分析实现高灵敏度和定量能力的质谱成像。项目将着重于创新开发组织印记萃取涂层，包括针对低响应低丰度的代谢物的选择性印记涂层，以及具有高萃取容量和代谢物覆盖范围的杂化材料涂层。同时，结合固相萃取领域的定量校正理论实现组织中内源性代谢物的绝对定量。最后，开发的平台将应用于脑组织成像中，更准确的探索更多脑部疾病以及药物治疗研究中的生物标志物。新技术有望使质谱成像技术成为生物研究/医学诊断上更可靠的分析依据。

项目针对目前质谱成像技术灵敏度低、基质效应高以及定量能力差的问题，将组织印记萃取(Tissue Imprinting)技术与连续液流微液接点(Continuous-Flow Liquid Micro-junction, 简称微液流)表面采样技术联用实现具有空间分辨率的代谢物纯化、富集以及高效解析的前处理平台，再将平台在线联用液相色谱质谱分析实现高灵敏度和定量能力的质谱成像。.项目重要研究结果和关键数据主要为以下三方面。首先是开发了对低响应低丰度的代谢物的选择性组织印记萃取新方法。在这方面，项目最终开发了基于TiO2材料和多孔石墨化碳材料的两种组织印记方法。其中，基于TiO2材料的印记方法结合多步微液流解析实现了甘油酯、磷脂、糖鞘脂三类脂质的同时高覆盖范围的检测，将鞘脂和甘油酯类在脑组织中的检测覆盖范围提高了2-7倍。其次是实现微液流采样平台与液相色谱-质谱平台的联用，提高了质谱成像定量定性能力。项目通过联用平台以及平台条件的改进实现了大脑中鞘脂以及氨基酸的定量质谱成像，定量结果与标准定量结果的相关性都在0.9以上。同时可以对脂质和氨基酸的同分异构体（如亮氨酸和异亮氨酸）进行分别成像。再次是开发了新的质谱成像绝对定量校正方法。项目开发的基于传质动力学模型的多种原位定量校正方法无需对样品表面进行加标就可以实现内源性脂质组在样品表面的逐像素点绝对定量。定量结果与标准定量结果的相关性都在0.9以上，且相关性曲线斜率接近1。最后，开发的成像方法被应用于更准确的探索颅脑损伤疾病以及治疗过程中代谢组和脂质组的空间分布变化。研究结果发现了颅脑损伤慢性期脂质变化的集中功能区域在中脑，且有10条涉及磷脂、糖鞘脂和脂肪酸的代谢通路被颅脑损伤影响。项目目前共发表论文10篇、著作1篇（境外），会议论文2篇，已授权专利3件。这些研究成果一方面为解决质谱成像在定性定量可靠性上的瓶颈问题提供了新的思路，另一方面有望推动质谱成像技术成为生物研究、疾病诊断和药物开发领域更可靠且应用更广泛的分析工具。