黃熹　劉會會　毛蘭群　熊彩僑　聶宗秀

摘?要?大腦是人體內功能最復雜、結構最精細的器官。腦內的化學物質種類眾多，含量迥異，分布不一， 對這些重要分子進行分析表征一直頗具挑戰(zhàn)性。質譜成像是一種具有高靈敏、免標記、化學專一性且可同時監(jiān)測多種分子空間分布的新興成像技術。質譜成像已廣泛應用于神經(jīng)退行性疾病、中樞神經(jīng)腫瘤及腦中藥代動力學的研究。本文簡要介紹了質譜成像方法的基本原理和重要技術進展，并著重討論了近年來質譜成像在上述腦神經(jīng)科學領域中的代表性應用。

關鍵詞?質譜成像; 腦神經(jīng)科學; 基質輔助激光解吸電離; 解吸電噴霧電離; 評述

1?引 言

大腦是神經(jīng)系統(tǒng)的最高級器官，負責支配人的運動、感覺、語言、情感等功能。大腦也是人體內結構最復雜的器官，可被分為兩百個多精細亞區(qū)。腦神經(jīng)化學的主要目標是在分子水平上揭示大腦的運行機制及中樞神經(jīng)疾病的病理。在如此復雜的大腦中研究分子的空間分布和變化非常有挑戰(zhàn)性。磁共振成像（MRI）[1]和正電子發(fā)射計算機斷層顯像（PET）[2]常用于研究腦中代謝物的空間分布，它們可以在活體條件下動態(tài)監(jiān)控分子的變化，但其空間分辨率低，可監(jiān)測物質種類少 [3]。目前，臨床上對腦組織生物切片進行研究的手段主要為免疫組織化學技術， 該方法敏感性高、特異性好，但其結果的判別很大程度依賴于醫(yī)師的診斷經(jīng)驗， 而且該方法耗時較長，難以對多種分子進行同時顯色成像。

質譜成像是一種近年來發(fā)展迅速的探究分子空間分布的技術。它的工作原理是利用一個聚焦的電離源（激光、帶電霧滴、離子源等）在生物組織切片上逐點轟擊，切片中的分子解吸并電離，然后傳入質譜儀中進行檢測，將組織切片中所有點位的質譜圖進行整合，即可得到分子在該切片中的二維分布圖（圖1）。目前，適用于組織切片的質譜成像的電離方式主要是基質輔助激光解吸電離（MALDI）和解吸電噴霧電離（DESI）[4]。不同于MRI和PET的實時活體成像， 質譜成像的優(yōu)勢在于可對組織切片中上百種分子同時進行高空間分辨的成像， 并兼有分析流程耗時短和誤診率低的優(yōu)勢。因此， 質譜成像技術在腦神經(jīng)科學的研究及臨床診斷方面均具有廣闊的應用前景。本文將簡要評述兩種質譜成像的原理及質譜成像方法學的進展，然后著重介紹近年來質譜成像在神經(jīng)退行性疾病與中樞神經(jīng)腫瘤研究中的應用。

2?質譜成像原理

2.1?質譜成像的重要指標

在質譜成像技術中，以下指標相當關鍵：（1）空間分辨率：質譜成像通常采用逐點轟擊的方式進行，相鄰像素點的中心距離即為設定的空間分辨率，常以μm為單位， 該數(shù)值越小，代表空間分辨率越精細?？臻g分辨率精細度的上限主要取決于電離源的聚焦程度和質譜儀器的靈敏度， 電離源的聚焦區(qū)域直徑通常要求小于設定的空間分辨率。（2）檢測通量：指在一次質譜成像中所能檢測出的不同分子種類的總量，通量決定于方法的靈敏度和質譜儀的質量分辨率。方法靈敏度越好， 質譜儀的質量分辨率越高，所能檢測的分子總量越多。（3）分析時間：與所設置的空間分辨率及質譜儀的掃描速度有關。對于給定面積的切片，空間分辨率設置越精細，所需要的分析時間越長。設定的空間分辨率縮小1倍， 分析時長將增加至4倍（平方關系）。（4）質譜相關指標： 作為質譜分析方法，質譜中通用的指標（如質量準確度、質量分辨率、采集速度、靈敏度和檢出限等）在成像實驗中也較重要， 高性能的質譜儀?？商峁└迂S富、準確的成像結果。

2.2?MALDI質譜成像

MALDI質譜成像首先需要將吸收紫外光的有機小分子基質均勻地沉積在待分析的組織切片上，常用的方法有升華法、電噴霧法、二流體霧化法和超聲噴霧法等。 將已沉積基質的切片送入裝有MALDI離子源的質譜儀后，使用紫外波長的激光對切片轟擊。切片表面的有機基質吸收紫外光的能量，并將能量和電荷傳遞給生物分子，輔助它們解吸電離。在MALDI成像中，基質的種類、基質沉積的過程、激光的參數(shù)以及質譜儀的性能都會對成像圖的效果產生影響[5]。MALDI成像的優(yōu)勢如下：（1）成像空間分辨率較高，可到達細胞級（小于5 μm）的水平; （2）可適用于不同種類分子（包括代謝物、脂類、蛋白、核酸及藥物）的分析。目前，最先進的商品化儀器可達到40個像素點/秒的分析速度[6]，大大縮短了MALDI質譜成像的分析時間，現(xiàn)在MALDI成像的局限性主要在于上機前的前處理耗時， 以及激光器維護費用昂貴。

2.3?DESI質譜成像

DESI質譜成像使用電噴霧產生的高速帶電霧流斜向轟擊組織切片，帶電霧滴會萃取并電離生物切片中的分子，并與其一同進入質譜離子傳輸管[7]。DESI質譜成像的主要優(yōu)勢是：（1）不需要外加基質輔助電離，分析流程更迅速; （2）不需要激光，離子源構造簡單， 維護成本低; （3）對質譜儀的要求較低， 簡單的離子阱質譜儀就可支持DESI成像。與MALDI成像相比，DESI成像的工作流程便捷，因而在實時臨床病理診斷上更有優(yōu)勢。然而，DESI成像的空間分辨率精度較低，且很難對大分子量的化合物（如多肽、蛋白及核酸等）進行分析。

3?質譜成像技術進展

腦部區(qū)域結構精細且生物分子種類繁多， 因此對質譜成像儀器及樣品處理方法等都提出了很高的要求。本節(jié)簡要概述近年來質譜成像技術的重要進展。

3.1?儀器研究進展

近年來，已有研究組將高質量分辨率的質譜儀（如傅里葉粒子回旋共振質譜（FTICR）和軌道阱（Orbitrap）質譜）應用于質譜成像中。高質量分辨率的儀器可比一般的儀器提供更豐富、更準確的分子質量信息，有助于腦部代謝組學和蛋白組學的研究。離子遷移譜作為質量分析器的前級分離裝置， 可有效分離分子量相近而立體結構有所差異的分子。通過使用離子遷移譜串聯(lián)的質譜儀進行成像分析，可大幅提高檢出分子質譜峰的數(shù)量。在離子源方面， MALDI?激光后電離技術使用比解吸激光波長略長的第二束激光促進已被解吸氣化的分子電離， 大幅提高了MALDI成像的靈敏度[8]。傳統(tǒng)的MALDI成像采用的是光源不動、樣品靶逐點移動的工作模式，一些儀器廠商通過不斷改變激光入射位置的方法[8]或者使樣品靶快速線式移動的方法[9]， 大幅提高了質譜成像的分析速度。Kompauer等[10]開發(fā)的AP?SMALDI成像系統(tǒng)采用了大氣壓MALDI離子源以及Orbitrap質量分析器，實現(xiàn)了MALDI質譜的亞細胞級別成像（空間分辨率1.4 μm）。在DESI離子源方面， He等[11]開發(fā)了空氣動力輔助電離技術，適用于大范圍組織切片的成像，可在一次成像中識別上千種代謝物分子。

3.2?前處理方法研究進展

腦部中的重要化學物質包括無機鹽、代謝物、脂類、多肽、蛋白和核酸等，分子量范圍為101～106Da， 且電離行為迥異，因此，選擇合適的MALDI基質對于MALDI成像結果至關重要。1，5?二羥基苯甲酸（DHB）、α?氰基肉桂酸（CHCA）對磷脂和多肽有較好的檢出效果。對于分子量更大的蛋白質，常使用芥子酸（SA）作為基質。1，5?萘二胺[12]、去甲哈爾滿[13]、槲皮素[14]等基質在正負離子工作模式下均可較好地檢測磷脂分子。9?氨基吖啶（9?AA）[15]、鹽酸1，5?萘二胺[16]、鹽酸萘乙二胺[17]等基質適合在負離子模式下檢測金屬離子、寡糖、酸性代謝物以及磷脂等物質。對于某些較難電離或者含量較低的分子，則需要加入衍生化試劑以提高檢測靈敏度。

由于腦部區(qū)域結構精細，很多時候需要高空間分辨率（小于20 μm）的質譜成像進行研究，這要求在前處理基質噴涂過程中，基質晶粒的尺寸也要足夠細小。為制得精細的基質涂層， 常采用升華法[18]、鞘氣輔助噴霧法[19]、電噴霧法[20]噴涂基質。本研究組提出使用加濕器產生細小的霧滴制備基質涂層，該方法檢測靈敏度好、空間分辨率高[21]。

4?質譜成像用于研究神經(jīng)退行性疾病

神經(jīng)退行性疾?。ㄈ缗两鹕?、阿爾茨海默癥（AD）、腦缺血等）會導致病人的認知和運動功能障礙，嚴重危害了中老年人的生命質量。目前，針對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的分析方法多使用腦組織勻漿或者腦脊液， 然而這種勻質的樣本不能提供分子在解剖學位置上或特定細胞中的原位信息。質譜成像作為一種新興技術， 可直觀地表征蛋白、代謝物、脂質等分子在腦組織中的空間分布，從而為神經(jīng)退行性疾病的分子機制提供更全面的解釋。

帕金森病是一種導致運動性殘疾的神經(jīng)退行性疾病，其神經(jīng)病理學特征為黑質致密部中多巴胺能神經(jīng)元的喪失[22]。由于神經(jīng)遞質（如多巴胺、γ?氨基丁酸、5?羥色胺等）在腦內濃度低，電離效率差，常規(guī)的質譜檢測手段很難對其進行原位檢測。Shariatgorji等[23]采用2，4?二苯基吡喃鎓衍生這類伯胺神經(jīng)遞質，由于衍生化產物在紫外區(qū)有吸收， 而且以陽離子形式存在，神經(jīng)遞質以衍生化的形式被MALDI?FTICR質譜高效檢測。在單邊腦注射神經(jīng)毒素6?羥基多巴胺的小鼠帕金森模型中， 在注射鹽水的腦側紋狀體中含有多巴胺、3?甲氧酪氨及酪氨酸; 而在注射毒素的一側中，上述神經(jīng)遞質濃度大幅下降。隨后，他們將該方法用于1?甲基?4?苯基?1，2，3，6?四氫吡啶誘導的猴腦帕金森模型中。在注射神經(jīng)毒素的猴腦中，5?羥色胺在麥納爾底核、丘腦下區(qū)及黑質中含量比對照組高40%， 這可能是腦部對多巴胺缺失的補償機制引起的。在該工作中，除了使用衍生化方法檢測伯胺類神經(jīng)遞質，還對乙酰膽堿和甘油磷脂酰膽堿進行了研究。利用氘代的α?氰基?4?羥基肉桂酸作為基質，首次在膽堿能神經(jīng)元中觀察到了乙酰膽堿。當給小鼠注射乙酰膽堿酶抑制劑他克林后，被注射的小鼠腦中乙酰膽堿含量增加到對照組的7倍，而甘油磷脂酰膽堿的含量隨之下降。該衍生化方案對于DESI成像也有較好的效果[24]， 其它研究組用不同的試劑（如4?羥基?3?甲氧基肉桂醛[25]和對?三甲基銨基苯胺琥珀酰亞胺甲酸酯碘化物[26]）對伯胺類神經(jīng)遞質衍生化，并進行MALDI質譜成像。

β?淀粉樣多肽在腦部中聚集沉積是AD的早期重要特征[27]。β?淀粉樣蛋白（Aβ）是由β淀粉樣前提蛋白經(jīng)β?或者γ?分泌酶酶切產生的擁有40個左右氨基酸的多肽。Kakuda等[28]利用MALDI質譜對遺體捐獻的大腦樣本進行成像， 研究了不同種類的淀粉樣多肽在罹患AD和大腦淀粉樣血管病的老年人腦中的分布。質譜成像結果表明，Aβ1-42和Aβ1-43多肽主要沉積在大腦的老年斑中，而Aβ1-36、Aβ1-37、Aβ1-38、Aβ1-39、Aβ1-40、Aβ1-41多肽則在柔腦膜中的血管內聚集（圖2A和2B）。盡管Aβ1-42和Aβ1-41僅有一個碳末端氨基酸的差異，它們在腦中的空間分布卻截然不同， 這可能由于這些多肽的自聚集能力差異。MALDI質譜成像中的空間特征和免疫組化染色結果吻合良好， 且擁有分析時間短、數(shù)據(jù)通量高的優(yōu)勢，是一種研究淀粉樣蛋白沉積疾病的有潛力的技術。Kaya等[29]使用MALDI質譜成像對小鼠AD模型做了較全面的研究，

利用MALDI成像分析了轉基因AD小鼠大腦內β?淀粉樣斑中鞘脂的種類和分布特征，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)節(jié)苷脂和神經(jīng)酰胺在β?淀粉樣斑中聚集，而硫苷脂的含量在其中相對減少，該研究揭示了鞘脂類化合物的代謝在AD的發(fā)病機制中可能起到重要的作用。2017年，Kaya等[30]對轉基因AD小鼠的大腦進行多工作模式的MALDI質譜成像。采用1，5?萘二胺作為基質， 對極性脂類分別進行了正、負離子工作模式的成像， 隨后又用2，5?二羥基苯乙酮對蛋白進行分析。通過多工作模式的高空間分辨率（10 μm）成像，可以很好地研究蛋白和脂類的空間分布特征。該研究揭示了神經(jīng)酰胺Cer（18∶0）、磷脂酰肌醇PI（38∶4）、硫苷脂ST（24∶0）和溶血磷脂酰膽堿LPC（16∶0）、LPC（18∶0）與β?淀粉樣多肽Aβ 1-37、 Aβ 1-38和 Aβ 1-40的共定位關系。

繼癌癥和心臟病后，腦卒中成為致死數(shù)量第三位的疾病，腦缺血占腦卒中80%的病例[31]。腦缺血并發(fā)的癥狀可能有環(huán)境酸化、發(fā)炎、壞死直至神經(jīng)元死亡。在腦缺血情況下，氧氣和葡萄糖的供應被限制，糖酵解和三羧酸循環(huán)等相關代謝物都會發(fā)生顯著變化。為了理解腦缺血中代謝通路的異常變化， 本研究組采用鹽酸1，5?萘二胺作為新型基質， 對半腦缺血的大鼠進行MALDI質譜成像[16]。該基質作為一種銨鹽，在負離子檢測模式及基質背景干擾下，檢測靈敏度高，在鼠腦切片中可得到氨基酸、有機酸、脂肪酸、寡糖、核昔類似物和膦脂等分子在鼠腦中的空間特異性分布。在執(zhí)行腦缺血模型手術24 h后的大鼠體內，直接供能分子（如三磷酸腺苷、二磷酸腺苷和單磷酸腺苷）的含量顯著降低， 其它代謝物（如腺苷、肌酐、次黃嘌呤、肌酸）含量也隨之降低（圖2C）。此外， 在半腦缺血區(qū)域中還可觀察到鈉鉀平衡紊亂、抗氧化小分子減少等現(xiàn)象。

5?質譜成像用于研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤

外科手術是治療腦部腫瘤的關鍵步驟。成功的外科手術需要完全清理腦部腫瘤， 以免復發(fā)，但又需盡可能少地損傷正常腦組織。腦部組織功能重要且結構復雜，目前在腦科手術中， 常規(guī)的輔助成像手段（如MRI）很難將腫瘤組織與正常組織區(qū)分開來。病理染色方法僅限于一些核酸突變的樣品，很難提供代謝物層面的信息。

人腦組織中有豐富的磷脂，正常組織和腫瘤組織在細胞膜上表達的磷脂常有明顯的差異。基于此，利用DESI技術對組織中的磷脂進行成像，可區(qū)分正常和腫瘤組織[32]。2013年， Ebrlin等[33]使用DESI成像結合支持向量機深度學習的方法，成功地將15例神經(jīng)膠質瘤和8例腦膜瘤樣本區(qū)分。在腦膜瘤樣本中，主要的質譜峰有磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰絲氨酸（PS）和磷脂酰肌醇（PI），而且未出現(xiàn)神經(jīng)膠質瘤中常見的硫苷脂（ST）（圖3A和3B）[33]。 隨后，該工作將DESI成像用于5個立體定位手術案例。通過DESI成像與MRI成像進行3D共定位，該方法可以很好地對腫瘤進行分型和分級， 并通過癌細胞濃度識別腫瘤邊界。

除了脂質外，一些重要的小分子代謝物也可作為腫瘤的特異性生物標志物。異檸檬酸脫氫酶（IDH）突變常發(fā)生于低級別膠質瘤和繼發(fā)性膠質母細胞瘤中[34]。IDH突變會導致檸檬酸轉化為2?羥基戊二酸（2?HG）[35]。2?HG的積累會影響DNA甲基化模式、脯氨酰水解酶活性及細胞生長和分化。2?HG在正常細胞中含量極少，但在IDH1和IDH2突變的神經(jīng)膠質瘤中大量積累， 因此可作為IDH突變神經(jīng)膠質瘤的生物標志物。2014年，Santagata等[36]采用DESI技術在21個IDH1（R132H）突變的膠質瘤樣本中檢測出了2?HG， 而且2?HG的信號與腫瘤細胞密度正相關。在一個實時手術案例中， 他們利用DESI技術對手術切除的膠質瘤涂片進行成像。結合MRI的立體造影，DESI成像可以清晰地揭示出腫瘤中心和邊緣區(qū)域的癌細胞濃度（圖3C和3D）[37]。值得注意的是，通過后續(xù)免疫染色發(fā)現(xiàn)，該案例中的IDH突變位點為R132C，而非R132H。相比于免疫染色只能識別單一的突變位點， DESI成像表征2?HG濃度的方法對許多種IDH突變都有效。

6?質譜成像用于研究藥物在腦中的藥代動力學行為

血腦屏障是腦部毛細血管壁與神經(jīng)膠質細胞形成的在血漿與腦細胞之間的屏障。血腦屏障的生理學意義在于將有毒物質或病原體阻隔在中樞神經(jīng)系統(tǒng)之外。然而， 血腦屏障的致密結構以及較差的通透性會阻礙治療中樞神經(jīng)疾病的藥物進入腦間隙。因此， 藥物對血腦屏障的滲透率是藥物篩選的重要指標[38]。在藥物設計過程中， 針對腦部疾病的藥物應盡可能有效地透過血腦屏障，而其它藥物則應有低的滲透率，以減輕毒副作用。目前，觀測藥物分布的辦法主要是放射性標記成像法， 然而放射性試劑價格昂貴，而且易造成假陽性和假陰性結果。質譜成像作為一種免標記高通量的成像方法， 非常適合觀測藥物是否能有效通過血腦屏障，從而發(fā)揮藥效。2013年，Liu等[39]提出使用血紅蛋白的輔基血紅素標記血腦屏障的位置。血紅素作為一種卟啉鐵陽離子，在正離子模式的MALDI成像中可高靈敏地被檢測出。通過與熒光標記比對，血紅素的空間分布可與腦中血管腔的位置良好吻合; 在質譜成像中發(fā)現(xiàn)，治療神經(jīng)膠質瘤的小分子藥物BKM120的信號與血紅素并不重合， 而是彌散于整個腦部， 顯示該藥物已經(jīng)有效透過血腦屏障。在另一組實驗中， 研究了治療星形細胞瘤的藥物RAF265分別在顱內移植腫瘤模型（PVL311）中的分布。與血紅素分布比對發(fā)現(xiàn)，RAF26大部分留存于腫瘤塊的毛細血管內，而在正常腦組織中RAF26卻未在血管內聚集（圖4）。這可能是因為腫瘤區(qū)內的血管系統(tǒng)血流較慢，導致藥物較難對外擴散。

Pokorny等[40]隨后利用該方案研究了Wee1抑制劑MK?1775和替莫唑胺聯(lián)合給藥治療神經(jīng)膠質瘤的功效。在細胞實驗中， GBM22神經(jīng)膠質瘤細胞對MK?1775非常敏感。然而，在體內試驗中，該方案治療效果不佳。采用MALDI質譜成像比較MK?1775在顱內原位腫瘤模型和皮下腫瘤模型的分布， 皮下腫瘤模型的MK?1775質譜信號較均勻明顯; 受血腦屏障影響， 在顱內原位模型中MK?1775的質譜信號較差，且在瘤內分布不均勻。

7?總結與展望

質譜成像法因其免標記、高通量、高靈敏的優(yōu)勢，已成為腦神經(jīng)化學研究的有力工具。目前，質譜成像法在空間分辨率、分析通量以及分析速度方面已經(jīng)有了顯著進步。質譜成像對腦神經(jīng)化學的研究在空間分辨率方面已可達到細胞級水平， 分析物質種類可涵蓋金屬離子、代謝物、多肽、蛋白和藥物等多種類分子。質譜成像已被廣泛應用于研究神經(jīng)退行性疾病、中樞神經(jīng)腫瘤及腦部藥物代謝過程等方向。其中，質譜成像為臨床手術提供快速活檢數(shù)據(jù)，更是該技術近年來的亮點。在未來，質譜成像法技術應著重于定量方法學的發(fā)展。盡管不同研究組開展了質譜成像對藥物或內源分子絕對濃度的測量方法，利用質譜成像定量分析依然沒有統(tǒng)一、穩(wěn)定的方案。另外， 目前質譜成像法還較少探索各種分子在中樞神經(jīng)系統(tǒng)內的作用機制。通過結合多組學分析及分子生物學技術， 質譜成像將有望為腦神經(jīng)化學的分子機制研究提供更大助力。

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Institute of Chemistry， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）

2（University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract?Brain is the central organ of the human nervous system with complex functionality and complicated structure. The chemicals in brain play important roles in metabolism and signal transduction. It is a challenge for scientists to characterize and analyze these chemicals due to their diversity in chemical property and concentration. Mass spectrometry imaging as a new technique is able to screen the spatial distribution of various molecules simultaneously without labeling and has been broadly applied in the study of neurodegenerative disease， brain tumor and pharmacokinetic in brain. This review introduces the principle and new technique of mass spectrometry imaging， ?and focuses on its typical applications in neuroscience published in recent years.

Keywords?Mass spectrometry imaging; Neuroscience; Matrix?assisted laser desorption ionization; Desorption electrospray ionization; Review