Angew成果 | 離子淌度調(diào)制提升空間脂質(zhì)組分析的結(jié)構(gòu)解析能力

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2023.11.28

清華大學(xué)精密儀器系歐陽證、馬瀟瀟教授團隊采用Waters Cyclic IMS高分辨質(zhì)譜及DESI產(chǎn)品，開發(fā)了一種多目標脂質(zhì)結(jié)構(gòu)質(zhì)譜成像技術(shù)，在不增加質(zhì)譜成像時間的情況下，顯著提升了空間脂質(zhì)組分析的結(jié)構(gòu)解析能力。

離子淌度調(diào)制提升空間脂質(zhì)組分析的結(jié)構(gòu)解析能力

空間脂質(zhì)組分析可揭示脂質(zhì)在生物組織或器官中的含量及空間分布，是基礎(chǔ)生物學(xué)和疾病研究的重要技術(shù)。空間脂質(zhì)組分析的底層技術(shù)一般為質(zhì)譜成像，其具有免標記、高空間分辨率和高靈敏度等優(yōu)勢，可同時表征大量脂質(zhì)分子在生物組織中的空間分布。然而，脂質(zhì)和代謝物的質(zhì)譜成像主要依賴于質(zhì)量測定，對分子結(jié)構(gòu)的表征能力不足，常由于脂質(zhì)和代謝物異構(gòu)體的存在而導(dǎo)致分析偏差乃至錯誤。在質(zhì)譜成像過程中，單個像素點的樣品量和分析時間極為有限，對逐個離子串聯(lián)分析會導(dǎo)致分析時間長和靈敏度降低等問題，因此如何在質(zhì)譜成像的同時實現(xiàn)分子的結(jié)構(gòu)解析一直是分析科學(xué)的挑戰(zhàn)。此外，在成像過程中豐度、離子化效率各異的待分析離子同時進入質(zhì)譜，存在顯著離子抑制等問題，給中低豐度離子的檢測和結(jié)構(gòu)鑒定造成困難。

近日，清華大學(xué)精密儀器系的歐陽證、馬瀟瀟教授團隊開發(fā)了一種多目標脂質(zhì)結(jié)構(gòu)質(zhì)譜成像技術(shù)，通過離子淌度技術(shù)對待分析離子的快速時空聚焦和分離，在不增加質(zhì)譜成像時間的情況下，顯著提升了空間脂質(zhì)組分析的結(jié)構(gòu)解析能力。該技術(shù)采用數(shù)據(jù)非依賴采集方法，利用離子淌度分離對單像素點的母離子強度進行“調(diào)制”，將淌度分離后的母離子不經(jīng)質(zhì)量隔離而完全碎裂（Mobility modulated sequential dissociation, MMSD）。根據(jù)母離子及相應(yīng)子離子組成隨淌度時間不斷變化的特點，發(fā)展了智能譜圖解卷積算法，實現(xiàn)40多種脂質(zhì)的結(jié)構(gòu)解析和20種脂質(zhì)在組織上的空間可視化，包括磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺等。

具備結(jié)構(gòu)解析功能的質(zhì)譜成像可實現(xiàn)傳統(tǒng)空間脂質(zhì)組分析難以實現(xiàn)的脂質(zhì)異構(gòu)體結(jié)構(gòu)鑒定和空間可視化。在鼠腦組織中，該技術(shù)揭示了多種脂質(zhì)異構(gòu)體的差異性乃至互補性空間分布，如 PE O-18:2_20:4、PE O-16:0_22:6 和 PE 16:1_22:4、PE 16:0_22:5等。在對人肝癌的組織切片分析中，該方法揭示了磷脂酰乙醇胺 PE 36:2的一組異構(gòu)體（PE 18:1_18:1、PE 18:0_18:2）在癌組織和癌旁組織中的特異性分布，并且PE 18:1_18:1集中分布于癌組織，可用于精準劃分腫瘤組織邊界，表明該技術(shù)可在更深層結(jié)構(gòu)維度上揭示脂質(zhì)癌癥生物標志物。

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這項工作所提出的多目標脂質(zhì)結(jié)構(gòu)解析及空間成像方法，從原理上同樣適用于多肽、代謝物等生物分子的空間可視化及結(jié)構(gòu)解析。結(jié)構(gòu)解析賦能的脂質(zhì)質(zhì)譜成像，是空間脂質(zhì)組學(xué)技術(shù)發(fā)展的題中之義，也是精準脂質(zhì)組分析和功能脂質(zhì)組研究必不可少的技術(shù)基礎(chǔ)。該技術(shù)的提出，為空間結(jié)構(gòu)脂質(zhì)組分析提出了一種解決方案，也有望促進質(zhì)譜成像實現(xiàn)從質(zhì)量測定到結(jié)構(gòu)鑒定的研究范式轉(zhuǎn)換。

論文作者

論文第一作者是清華大學(xué)博士研究生錢耀，通訊作者是清華大學(xué)精密儀器系歐陽證、馬瀟瀟教授。清華大學(xué)郭翔宇博士和清華大學(xué)長庚醫(yī)院王韞芳研究員對技術(shù)建立和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用做出了重要貢獻。清華大學(xué)精儀系、清華大學(xué)精密測試技術(shù)與儀器國家重點實驗室為第一作者單位。本項目得到國家自然科學(xué)基金委重點、面上項目及重點研發(fā)計劃（前沿生物技術(shù)）青年科學(xué)家項目（2022YFC3401900）資助。

Waters Cyclic IMS助力深度前沿科學(xué)研究

助力前沿科學(xué)研究，沃特世一直在行動。長期以來，與清華大學(xué)精密儀器系保持著深度合作和支持。在助力客戶成功的同時，新產(chǎn)品也受到客戶的高度認可，成果不斷涌現(xiàn)。

環(huán)形離子淌度質(zhì)譜，自橫空出世以來，就吸引著各領(lǐng)域研究者們的目光。經(jīng)過近兩三年的孵化測試，環(huán)形離子淌度質(zhì)譜SELECT SERIES Cyclic IMS儀器，已被成功應(yīng)用于生物、醫(yī)療、化工、制藥、食品及環(huán)境等前沿科學(xué)研究領(lǐng)域，特別是在蛋白結(jié)構(gòu)、糖結(jié)構(gòu)、金屬配合物、中藥天然產(chǎn)物、未知物化合物或結(jié)構(gòu)類似物表征方面，都有著非常強大的用途。