近日，美國愛荷華州立大學(xué)的研究人員，用高空間分辨率基質(zhì)輔助激光解吸電離（MALDI）- 質(zhì)譜成像（MSI）來繪制和可視化了新受精的斑馬魚胚胎單細胞中磷脂類——磷脂酰膽堿（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）以及磷脂酰肌醇（PI）的三維空間分布。這是MALDI-MSI首次應(yīng)用于單個細胞的三維化學(xué)成像。相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表在Scientific Reports上。

斑馬魚（Danio rerio）原產(chǎn)于東南亞，是一種小型熱帶觀賞魚。由于體外受精和光學(xué)透明，受精斑馬魚胚胎可在發(fā)育的所有階段進行觀察和操作。此外，斑馬魚很容易獲得，價格低廉，健壯，易于護理，并且每周可以產(chǎn)下數(shù)百個卵。這些獨特的遺傳特點與實驗胚胎優(yōu)勢相結(jié)合，使得斑馬魚成為研究早期發(fā)育的理想選擇。

斑馬魚已被廣泛用作脊椎動物系統(tǒng)模型，用于研究脂質(zhì)代謝、脂質(zhì)在疾病中的作用以及胚胎發(fā)育中的脂質(zhì)動力學(xué)。最近，F(xiàn)raher等人使用LC-MS法進行脂質(zhì)組學(xué)研究，結(jié)果顯示膽固醇、磷脂酰膽堿（PC）和甘油三酯是斑馬魚胚胎中最豐富的脂質(zhì)。他們證明，在調(diào)動到胚胎體之前，脂質(zhì)在蛋黃內(nèi)被加工。電噴霧電離質(zhì)譜（DESI-MS）也被用于直接的MS分析和單個斑馬魚胚胎中脂質(zhì)的成像、跨胚胎發(fā)育（受精后0,24,48,72和96小時）。研究人員對斑馬魚中的代謝組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)研究非常感興趣，因為這些化合物具有關(guān)鍵的生物學(xué)功能，例如作為能量儲存源、參與細胞信號傳導(dǎo)、并作為細胞膜的必要成分。探索如何調(diào)節(jié)代謝物和脂質(zhì)是理解生物系統(tǒng)中發(fā)生的生物途徑和發(fā)育過程的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)分析方法研究小代謝物和脂質(zhì)需要大量的樣品制備、費力的提取、衍生化以及先期對目標化合物的了解。由于樣品制備方案和儀器的發(fā)展，質(zhì)譜成像（MSI）已成為這些研究中廣泛使用的分析工具。MSI可實現(xiàn)生物分子空間分布的二維可視化，而無需提取、純化、分離或標記分析物。此外，單個MSI實驗可以同時檢測許多不同類別的化合物，包括未知物，這使得其可以高分辨率和高通量方式直接對生物分子進行細胞或亞細胞作圖。

由于生物學(xué)在三維生物體中發(fā)生，3D成像對生命科學(xué)中的許多挑戰(zhàn)產(chǎn)生了值得注意的影響并不奇怪。最近，使用質(zhì)譜成像對完整生物分子進行成像已擴展到3D分析，以確定組織樣本、瓊脂平板和3D細胞培養(yǎng)物中的體積分子分布。使用質(zhì)譜法最常見的3D成像方法包括收集樣品的連續(xù)部分，使用傳統(tǒng)的二維質(zhì)譜成像分別分析每個部分，然后使用計算方法從多個二維集合堆疊和重建最終的3D成像MS數(shù)據(jù)集等步驟。

美國愛荷華州立大學(xué)的研究小組（以下簡稱“研究小組”）開發(fā)了高空間分辨率的基質(zhì)輔助激光解吸電離（MALDI）-MSI，分辨率低至5μm，并將其用于植物代謝物的細胞或亞細胞水平成像。在這里，研究小組利用這種高空間分辨率呈現(xiàn)了新受精的個體斑馬魚胚胎的3D MALDI-MSI。這是用MALDI獲得的單個細胞的3D MSI的首次演示，揭示了各種脂質(zhì)化合物的亞細胞水平定位。

（a）受精斑馬魚胚胎在單細胞階段的奇數(shù)編號光學(xué)圖像。 （b）PE（22：6-16：0）在m / z 762.509和（c）PI（18：0-20：5）在m / z 883.535處的假彩色二維MALDI-MS圖像。 通過覆蓋所有2D圖像，右側(cè)顯示投影圖像。 所有物種均被檢測為去質(zhì)子化的[M-H] - 。

在此分析中，研究小組通過獲取62個連續(xù)橫截面組織切片交替的正離子和負離子模式的MS成像數(shù)據(jù)，對單個斑馬魚受精卵進行3D MALDI-MSI。這可以對單個細胞中全面的脂質(zhì)種類進行3D可視化。研究結(jié)果顯示，所有三種磷脂類都存在于胚盤內(nèi)的對稱分布，以及蛋黃的邊界，但每種都顯示出不同的區(qū)域；PE顯示在胚盤中心高度豐富的異質(zhì)亞細胞區(qū)域，除了胚盤外，PC分子種類存在于蛋黃內(nèi)部，而蛋黃中的PE和PI種類大多不存在。另外，還比較了四種不同的歸一化方法以確定當將2D MSI與3D體積重建進行比較時，這些方法中的哪一種可以提供更具代表性的結(jié)果。此外，在不同細胞階段（1-，2-，4-，8-和16-細胞階段）獲得胚胎的全掃描MSI和MS / MS，以研究斑馬魚成長早期階段磷脂分布的變化。

TOF-SIMS已報道被用于單個細胞的3D MSI，特別是結(jié)合深度剖析作為實現(xiàn)z方向信息的方式。然而，由于顯著的碎裂，可以通過TOF-SIMS分析的高質(zhì)量化合物主要限于外源性藥物化合物。該研究小組所述的研究工作首次證明高分辨率MALDI-MSI可應(yīng)用于單個細胞的三維化學(xué)成像，他們未來的研究將集中在揭示胚胎發(fā)育的細節(jié)，具有更高的空間分辨率和小代謝物的可視化，以及熒光顯微鏡的多模態(tài)成像等。

在MALDI質(zhì)譜成像方面，融智生物于2017年推出QuanTOF質(zhì)譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)集合了新一代寬譜定量飛行時間質(zhì)譜平臺QuanTOF，擁有5,000-10,000Hz長壽命半導(dǎo)體激光器，自主開發(fā)的數(shù)據(jù)采集軟件。2018年7月，融智生物宣布實現(xiàn)可達500像素/秒的成像速率，提升MALDI-TOF MS成像速率達10倍以上，普通樣本成像只需幾十分鐘，使得質(zhì)譜成像實現(xiàn)了“立等可取”。 經(jīng)過進一步的研發(fā)，目前QuanTOF質(zhì)譜成像系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)高達1000像素/秒的成像速率，5-10微米的高空間分辨率，且仍然保持了極高的靈敏度，使得質(zhì)譜成像真正可使用于臨床病理分析、術(shù)中分析等應(yīng)用。