TransMIT AP-SMALDI高分辨质谱成像系统为精准定位药物组织空间分布插上翅膀

导读:《我不是药神》的热播引发了社会各界人士的关注,再度把抗癌药物格列卫带到了大众面前。影片中神药“格列宁”的原型其实是慢性粒细胞白血病患者的首选药物格列卫(Gleevec),主要成分为伊马替尼(Imatinib)。伊马替尼是一种酪氨酸激酶抑制剂,能够阻断一种或多种蛋白激酶,临床用于治疗慢性粒细胞白血病和恶性胃肠道间质肿瘤。

肾脏是药物排泄的主要器官。药物排泄过程的正常与否关系到药效强度、药效维持时间以及毒副作用。因此,明确药物“在哪里”一直是分析化学前沿研究领域的热点和难点。近年来,质谱成像技术(Mass Spectrometry Imaging)的诞生为精准定位药物组织分布研究提供了全新的技术和思路。

质谱成像是以质谱技术为基础的可视化方法,通过质谱离子源直接扫描生物样本,可以在一张组织切片上同时分析数百种分子的空间分布特征,已成为精确解析药物分子及其代谢产物组织空间分布的关键技术之一,广泛应用于药物ADME的研究。本文将主要介绍TransMIT AP-SMALDI 10高分辨率质谱成像系统如何一步步揭秘伊马替尼在小鼠肾脏组织中的空间分布特征。

TransMIT AP-SMALDI 10质谱成像系统是目前少有的集高空间分辨率和高质量精度于一体的质谱成像系统。该系统采用常压基质辅助激光解吸电离技术,通过先进的准直光束聚焦实现了<5μm的成像分辨率;质谱端搭载Thermo Scientific™ Q Exactive™系列质谱仪,保证了离子分析的高质量分辨率和高质量精度。

本研究首先采用35μm中等空间分辨率分析了内源性物质和伊马替尼在小鼠肾脏组织中的空间分布特征。如图1A所示,MALDI质谱成像能够准确的可视化肾脏组织中磷脂分子的组织分布特征:其中PC(32:0)(绿色)、PC(40:6)(蓝色)、PC(38:5)(红色)分别特异性分布于肾皮质、外髓质外带和外髓质内带。由此可见,质谱成像技术突破了传统H&E染色只能提供组织形态和变化特征的局限性(图1C)。最为重要的是,在无需荧光探针或放射性同位素标记的情况下,质谱成像实现了伊马替尼的组织空间定位。根据质谱成像的检测结果,非常容易判断出伊马替尼(m/z=494.2662,图1B中绿色所示)主要分布在小鼠肾脏的外髓质外带。

图1 A)采用质谱成像技术获得的小鼠肾脏组织学特征分布图:绿色,[PC(32:0)+K]+=772.5253 皮质;蓝色,[PC(40:6)+K]+=872.5566 外髓质外带;红色,[PC(38:5)+K]+=846.5410 外髓质内带;B)伊马替尼在小鼠肾脏中的组织空间分布:绿色,伊马替尼[M+H]+=494.2662;红色,[PC(32:0)+K]+=772.5253;蓝色,[PC(34:1)+H]+=760.5851;C)H&E染色图像;D)单像素质谱图。质谱成像空间分辨率35μm,质量窗口Δm/z=0.01。(图片来源于DOI 10.1007/s00216-011-4990-7)

为了获得更为精确的空间分布特征,随后采用10μm高空间分辨率对肾外髓质外带的局部组织进行了深度分析(图2)。高空间分辨率MALDI质谱成像为我们呈现了更为准确清晰的内源性物质(图2A)和药物空间分布特征(图2B)。研究结果发现,伊马替尼(图2B中绿色所示)的空间分布和直小血管之间(图2B中红色所示)存在着紧密联系。此外,如图2D所示,由于原位分析不可避免的引入多种干扰因素(干扰峰m/z 494.0634),如果质谱成像设备的质量分辨率较低,图2D中两个相邻的质谱峰则无法区分,导致成像结果不准确。因此,高质量精度和分辨率是保证质谱成像结果准确可靠的必要条件。

图2 A)采用10μm高空间分辨率获得的小鼠局部肾脏组织学特征分布图:绿色,[SC(16:0)+K]+=741.5307 外髓质外带;蓝色,[PC(34:1)+H]+=760.5851 外髓质内带;红色,[heme b]+=616.1767 直小血管;B)伊马替尼在小鼠局部肾脏组织中的特异性空间分布:绿色,imatinib [M+H]+=494.2662 外髓质外带;蓝色,[PC(38:5)+K]+=846.5410 外髓质内带;红色,[heme b]+=616.1767 直小血管; C)H&E染色图像;D)单像素质谱图。质谱成像空间分辨率10μm,质量窗口Δm/z=0.01。(图片来源于DOI 10.1007/s00216-011-4990-7)

综上所述,本研究成功的揭示了伊马替尼在重要排泄器官肾脏中的组织分布特征,同时也获取了组织中各种内源性化合物的空间分布信息,为研究药物分子的累积和排泄机制提供了可靠的科学依据。TransMIT AP-SMALDI 10质谱成像系统集高空间分辨率、高质量分辨率和高质量精度于一身,不仅成为了药代动力学研究的利器,也广泛应用于肿瘤标志物研究、植物次生代谢物研究、药用植物药效成分研究、微生物和单细胞研究等。未来,期待TransMIT AP-SMALDI 10质谱成像系统为我国药物研发人员和各领域科研工作者带来更多的惊喜,加快研究进程,加速成果转化。

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