新型开源式MALDI/DESI双源互补质谱成像技术及其在民族特色药用植物内源性天然产物研究中的应用

In our country, there are abundant plant resources, and many medicinal plants have been being widely used in ethnic minority areas, providing the safeguard for ethnic minorities to conquer life-threatening diseases. However, there are too many different kinds of natural products with different structures in medicinal plants, and the traditional technology can not meet the requirements in this field analysis. Based on our previous studies, matrix assisted laser desorption ionization mass spectrometry imaging (MALDI-MSI) and desorption electrospray ionization MSI (DESI-MSI) are used in this study for analysis of endogenous natural products from ethnic medicinal plants. This project forces on technology development of MSI based on MALDI and DESI ion sources to break through the detection limitation of MSI for plant endogenous molecules. On this basis, an ambient MALDI/DESI dual ion source hybrid MSI will be established to combine the advantages of both MALDI and DESI ion sources. As results, a more comprehensive profile of the endogenous natural product spatial distributions in the ethnic medicinal plants would be achieved by the use of this hybrid MSI method. The method of ambient MALDI/DESI dual ion source hybrid MSI will be also used to administration animal models to monitor the dynamic changes of natural products of medicinal plants and promote the drug active ingredient screening, evaluation and utilization. The establishment of this novel characterization method of ambient MALDI/DESI dual ion source MSI for endogenous natural products of medicinal plants will be significant in the discovery of new drug from medicinal plant related to disease therapy, investigation of drug metabolism, as well as clarification of the therapeutic mechanism of medicinal plant for diseases.

我国植物资源丰富，多种植物在民族地区广为药用，为少数民族的繁衍生息提供了保障。但是药用植物天然产物种类繁多、结构迥异，传统的技术手段已经不能很好的满足该领域的分析需求。本项目拟在先前的研究基础上，以MALDI与DESI两种主流质谱成像方法为主要研究手段，以民族特色药用植物内源性分子为研究对象，不断进行新型质谱成像方法研发，进一步将MALDI-MSI与DESI-MSI检测极限向前推进；并努力整合两种技术形成开源式MALDI/DESI双源互补质谱成像方法，充分发挥两者各自的优势，全面表征具有民族特色的药用植物内源性分子，并利用动物模型对药物入体后的代谢过程进行动态成像监测，进而推动对药用植物活性成分或药用先导化合物的有效筛选、评价、利用。本项目旨在建立新型开源式MALDI/DESI双源互补成像方法，该方法对于药用植物有效成分筛选、药物代谢物质基础研究、以及疾病治疗机制的揭示具有重要意义。

我国幅员辽阔、植物资源丰富，多种植物在民族地区广为药用，为少数民族繁衍生息提供了保障。但是药用植物天然产物种类繁多、结构迥异，传统技术手段显然已不能很好的满足该领域的分析要求。. 本项目基于先前的研究基础，设计并搭建了高分辨非脉冲式激光源；该激光源结合二维轴动平台形成了新型开源式MALDI源质谱成像技术。利用该新型开源式MALDI-MSI技术结合新筛选发现的绿色基质（3,4-二甲氧基肉桂酸、2,3-二氰基氢醌、咖啡酸）辅以交流电场辅助基质包被方法，完成了小鼠大脑及民族药用植物马槟榔（苗药）种子内源性分子的成像研究。. 本项目成功构建了新型纳升级高分辨率DESI离子源，该离子源结合交流电场辅助表面微萃取技术，最终形成了纳升级高分辨率、高灵敏度新型DESI-MSI技术。利用该新型质谱成像新方法，完成了民族药用植物：南方红豆杉（白药）种子样本、岩青兰（蒙药）组培苗组织微阵列样本内源性代谢分子成像研究。. 本项目利用毫秒级间差间歇性扫描策略顺利实现了新型开源式MALDI离子源与新型纳升级高分辨率DESI离子源的耦合，形成了双源互补质谱成像技术：即开源式MALDI/DESI-MSI。利用该质谱成像技术结合本项目新发现的绿色基质3,4-二甲氧基肉桂酸，成功对民族特色药用植物：槟榔（黎药）果实样本、蓝盆花（蒙药）组培苗组织微阵列样本内源性代谢分子进行了质谱原位表征。. 本项目利用新型开源式MALDI/DESI双源互补质谱成像技术结合小鼠动物模型成功对瑶药巴马火麻、黎药槟榔果实进行了活性成分广谱筛选及作用机制研究。结果揭示了巴马火麻内源性代谢成分大麻二酚对于治疗小鼠脑部慢性神经系统疾病：癫痫具有明显治疗作用；槟榔果实内源性代谢分成槟榔碱对于小鼠成瘾行为有显著影响。. 综上所述，新型开源式MALDI/DESI双源互补质谱成像技术的构建充分发挥了MALDI-MSI与DESI-MSI两者各自优势，可全面表征药用植物内源性分子，结合动物模型可实现药物入体后代谢过程的动态成像监测，推动了药用生物活性成分的有效筛选、评价、利用。该技术对于药用植物有效生物活性成分筛选、药物代谢物质基础研究、以及疾病治疗机制的揭示具有重要意义。