苗玉嬌 朱龍佼 許文濤

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)營養(yǎng)與健康系 食品精準(zhǔn)營養(yǎng)與質(zhì)量控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

典型的MALDI-MSI 工作流程分為三步：制作組織切片、采集質(zhì)譜數(shù)據(jù)、分析成像數(shù)據(jù)。在MSI 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，質(zhì)譜的掃描速度越快，相應(yīng)的就要付出分辨率越低的代價(jià)，故而快速、高特異性、高空間分辨率和高靈敏度往往不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)。雖然質(zhì)譜掃描速率、空間分辨率和靈敏度主要由質(zhì)譜硬件儀器決定，但適當(dāng)?shù)慕M織準(zhǔn)備工作和高效的離子化技術(shù)也是MSI 獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。在過去的幾十年中，MSI 技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)新，包括新的實(shí)驗(yàn)工作流程、改進(jìn)的電離和采樣方法、空間和質(zhì)量分辨率的進(jìn)步、更可靠的數(shù)據(jù)處理方式以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析軟件的開發(fā)。本綜述將重點(diǎn)關(guān)注MALDIMSI 中新型基質(zhì)的開發(fā)，并總結(jié)一些新型MSI 技術(shù)的最新應(yīng)用和進(jìn)展。最后，展望了MSI 技術(shù)的發(fā)展方向——單細(xì)胞水平化、絕對定量化、儀器便攜化（圖1）。

圖1 圖文摘要Fig.1 Graphical abstract

1 MALDI 新型基質(zhì)的開發(fā)推進(jìn)生物樣本的MSI

在MALDI-MSI 中，需要先在組織切片上沉積一層基質(zhì)以在基質(zhì)和樣品之間形成共結(jié)晶。基質(zhì)通過吸收紫外或紅外激光能量被電離，同時(shí)提供羽流將分析物解吸到氣相，通過將電荷或活性離子轉(zhuǎn)移到分析物上而將其電離。由于可以保護(hù)分析物免受直接激光照射，基質(zhì)在MALDI-MSI 中起著至關(guān)重要的作用，選擇合適的基質(zhì)和合適的沉積方法可以避免丟失分析物或其他耗時(shí)的組織制備步驟。目前，一些針對蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、碳水化合物的2,5-二羥基苯甲 酸（2,5-dihydroxy benzoic acid，DHB）［2］、α- 氰基-4-羥基肉桂酸（α-Cyano-4-hydroxycinnamic acid，CHCA）［3］和芥子酸（sinapic acid，SA）［4］等常規(guī)小分子有機(jī)基質(zhì)在目前已得到廣泛應(yīng)用［5］。且已經(jīng)證明可以通過將吸電子基團(tuán)加入到一些傳統(tǒng)基質(zhì)的核心結(jié)構(gòu)中來提高其性能，如通過用氯原子取代CHCA 的羥基從而獲得4-氯氰基肉桂酸（4-chloroalpha-cyanocinnamic acid，Cl-CCA），這種新型基質(zhì)可以有效提高標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)胰蛋白酶消化的靈敏度［6］。

但總的來說，上述常規(guī)基質(zhì)材料存在背景高、選擇性弱、對小分子物質(zhì)（＜600 Da）的電離效果差等問題，從而促進(jìn)了研究者們對新型基質(zhì)的開發(fā)，包括有機(jī)小分子基質(zhì)和無機(jī)納米材料（表1）。這些新型基質(zhì)一般具有共晶小、信號(hào)響應(yīng)低、離子抑制低、耐鹽性好等特征。

表1 近幾年應(yīng)用在MALDI-MSI 中的新型基質(zhì)匯總Table 1 Summary of the novel matrixes used in MALDI-MSI in recent years

續(xù)表Continued

1.1 新型有機(jī)小分子基質(zhì)

已經(jīng)有相關(guān)綜述［33-34］總結(jié)了一些已被開發(fā)用于 MALDI-MSI 的新型有機(jī)小分子基質(zhì)，如烷基化2,5-二羥基苯甲酸、1,8-二（哌啶基）-萘和4,5-（雙（二甲氨基）萘-1-基）呋喃-2,5-二酮（4-馬來酸酐質(zhì)子海綿）等，本文僅選擇近5年來關(guān)于MALDI的新型有機(jī)小分子基質(zhì)在生物組織MSI 中的最新研究成果進(jìn)行綜述。

Enomoto 及其研究團(tuán)隊(duì)［18］使用1,5-二氨基萘（1，5-diaminonaphthalene，DAN）作為MALDI-MSI 的基質(zhì)在負(fù)離子模式下檢測成熟草莓果實(shí)中的原花青素及其單體，實(shí)現(xiàn)了不同類的B 型原花青素在草莓組織中獨(dú)特的空間分布的可視化，進(jìn)一步闡明了類黃酮類化合物的生物學(xué)作用。此外，也有將以DAN作為基質(zhì)的MALDI-MSI 和其他成像技術(shù)聯(lián)用以對單個(gè)腦組織切片中的脂質(zhì)分子進(jìn)行多模態(tài)化學(xué)成像的報(bào)道出現(xiàn)［19］。

基于CHCA 和三聯(lián)噻吩這兩種常用基質(zhì)分別用于檢測不同類別分子的特性，Yerra 等［20］提出了一種“包含兩者有效電離官能團(tuán)的分子可以同時(shí)作為質(zhì)子和電荷轉(zhuǎn)移基質(zhì)”的假設(shè)，并成功合成了2-氰基-3-（2-噻吩）丙烯酸（2-cyano-3-（2-thienyl）acrylic acid，CTA）基質(zhì)，結(jié)果成功用于分析各類化合物如脂質(zhì)、肽、蛋白質(zhì)、糖類、天然產(chǎn)物、高分子量聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）和有機(jī)金屬等，與其他常規(guī)基質(zhì)相比，所有使用CTA 研究的分析物的質(zhì)譜都顯示出高信噪比和高分辨率，能將以前難以電離的較低濃度的高分子量PEG（＞40 kD）陽離子化，并且CTA 還可以在MALDI-MSI 實(shí)驗(yàn)中提供組織表面的完整輪廓?？偟膩碚f，相對于一直以來的使用特定基質(zhì)來分析特定類別的分析物，CTA 可以用作分析大多數(shù)類別化合物的通用基質(zhì)。

3-氨基鄰苯二甲酰肼（3-aminophthalhydrazide，3-APH，又稱魯米諾）是一種非常有效的化學(xué)發(fā)光底物。Li 等［10］根據(jù)固態(tài)紫外吸收、離子產(chǎn)率和種類以及雙極性檢測對5 種候選MALDI 新基質(zhì)進(jìn)行了評(píng)估，得到了3-APH 及其鈉鹽能夠比其他幾種候選物更好地檢測內(nèi)源性代謝物的結(jié)論，在正/負(fù)離子模式下結(jié)合了傅里葉變換離子回旋共振（fourier transform ion cyclotron resonance，F(xiàn)TICR）的MALDIMSI 實(shí)驗(yàn)中分別對159 和207 種小鼠的腦代謝物在組織上實(shí)現(xiàn)了無標(biāo)記原位成像，從而展示了3-APH作為一種MALDI 新型基質(zhì)在定位腦疾病生物標(biāo)志物方面的應(yīng)用前景。

在保證教學(xué)過程完整，體現(xiàn)素質(zhì)教育教學(xué)觀念和樹立終身體育思想基礎(chǔ)上，按照教學(xué)目標(biāo)，創(chuàng)造出多種教學(xué)模式。同時(shí)，學(xué)校應(yīng)改進(jìn)評(píng)價(jià)內(nèi)容和方法，由單一的評(píng)價(jià)內(nèi)容與方法向綜合考評(píng)內(nèi)容與方法轉(zhuǎn)變，促進(jìn)學(xué)生的多方面發(fā)展。

盡管上述許多新型有機(jī)小分子基質(zhì)仍未設(shè)計(jì)用于更廣泛的應(yīng)用，但其在許多方面均表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)基質(zhì)的結(jié)果，如真空穩(wěn)定性、檢測靈敏度、分子覆蓋度、耐鹽性、基質(zhì)背景信號(hào)、離子抑制和晶體形成等［35］，證明了新型基質(zhì)具有提高M(jìn)SI 圖像質(zhì)量和擴(kuò)展MALDI-MSI 應(yīng)用領(lǐng)域的潛力。

1.2 無機(jī)納米材料基質(zhì)

目前，一些無機(jī)納米材料已被開發(fā)用來作為MALDI-MSI 的新型基質(zhì)，材料包括金、銀、硅、碳（石墨烯、氧化石墨烯、碳納米點(diǎn)等）和金屬氧化物納米材料等。

金納米粒子（gold nanoparticles，AuNPs）已被證明可以實(shí)現(xiàn)肽、膽汁酸、碳水化合物、類固醇和其他脂質(zhì)的原位可視化。已經(jīng)發(fā)表了具有各種分析物相互作用的AuNPs 的多種應(yīng)用，AuNPs 增強(qiáng)的組織成像現(xiàn)已能實(shí)現(xiàn)100 μm 的橫向空間分辨率［36］。聚乙烯吡咯烷酮封端的銀納米粒子（silver nanoparticles，AgNPs）可以通過選擇性銀陽離子化來提高含有 π 鍵的分析物的電離效率?；诖耍珿uan 等［24］使用聚乙烯吡咯烷酮封端的AgNPs 作為基質(zhì)的MALDI-FTICR-MS 對小鼠或大鼠的大腦動(dòng)脈閉塞模型進(jìn)行可視化處理，改進(jìn)了對脂肪酸、甘油脂等多種類脂質(zhì)以及一些小分子代謝物的綜合分析，對各類脂質(zhì)分子在大腦組織中的異質(zhì)性分布提供了新見解。

碳材料，包括富勒烯、碳納米管、石墨烯（graphene，G）、氧化石墨烯（graphene oxide，GO）、碳納米點(diǎn)（carbon dots，CDs，又稱碳點(diǎn)）、納米金剛石、納米纖維和納米角，它們在激光波長下的強(qiáng)光吸收以及其他獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，可以有效地輔助MALDI 過程。與經(jīng)典有機(jī)基質(zhì)相比，G 和GO 可簡化樣品制備、消除基質(zhì)背景離子的干擾并提高每次實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性［37］。Wang 等［25］通過基于GO和咖啡酸（caffeic acid，CA）二元基質(zhì)的MALDIMSI，對一種中藥黃芩苷——燈盞花乙素及其代謝物在腎組織切片中的原位空間分布進(jìn)行了可視化。這種二元基質(zhì)（GO/CA）顯著提高了燈盞花乙素及其代謝物的檢測效率，在組織切片上具有較高的靈敏度和選擇性。CDs 是一類新興的碳材料基質(zhì)，極細(xì)微粒，幾乎各向同性，生物相容性好且易于后修飾［38］。Cai 等［39］探究了N、S 摻雜的碳點(diǎn)在鼠組織中雙酚S 成像中的應(yīng)用。得益于CDs 極小的粒徑，該研究的成像分辨率達(dá)50 μm，且雙酚S 的檢出限低至pmol。

此外，硅納米柱陣列（silicon nanopost array，NAPA）已經(jīng)被證明可以增強(qiáng)使用傳統(tǒng)有機(jī)基質(zhì)難以檢測的特定脂質(zhì)類別的電離，尤其是在存在磷脂酰膽堿，例如磷脂酰乙醇胺和甘油三酯的情況下［31，40］。在最新報(bào)道的研究中，Laith 等［29］還使用基于NAPA 基質(zhì)的激光解吸電離質(zhì)譜成像平臺(tái)（NAPA-LDI-MSI）和傳統(tǒng) MALDI-MSI 平臺(tái)對大豆根瘤組織切片中特殊的生物聚合物聚羥基丁酸、聚谷氨酸和多糖的低聚物進(jìn)行原位檢測和無標(biāo)記分子成像。結(jié)果顯示，在NAPA-LDI-MSI 中，低聚物離子的平均信號(hào)強(qiáng)度比不同基質(zhì)不同離子模式的幾種MALDI-MSI 平臺(tái)高出約7-65 倍。

雖然目前已經(jīng)開發(fā)出了一系列新型無機(jī)材料基質(zhì)應(yīng)用于MSI 技術(shù)，但這些材料同時(shí)也存在著諸般問題。如對于無機(jī)碳材料來說，其在水或有機(jī)溶劑中的溶解性較差，難以均勻地沉積在樣品上，且在真空下高濃度的碳材料可能會(huì)從目標(biāo)板逸出導(dǎo)致儀器污染。雖然將納米顆粒濺射到動(dòng)植物組織切片上可以使生物分子成像成為可能，但同時(shí)也存在著如何濺射出具有一致尺寸的納米粒子和必要設(shè)備的可用性的問題。并且，目前我們對納米顆粒的電離機(jī)制尚未完全了解，這些未解決的問題和謎團(tuán)亟待研究者們更進(jìn)一步地深入研究。

2 不同的離子化技術(shù)助力生物組織的MSI

除了MALDI 這種被最廣泛地應(yīng)用于MSI 的離子化技術(shù)外，二次離子質(zhì)譜技術(shù)（secondary ion mass spectroscopy，SIMS）和常壓敞開式離子化技術(shù)（ambient mass spectrometry，AMS）的發(fā)展也十分迅猛，擴(kuò)大了MSI 的應(yīng)用范圍。表2從靈敏度、分辨率等方面對MSI 中常用的幾種離子化的方式進(jìn)行了比較。下面簡要介紹這些離子化技術(shù)的原理以及在生物組織的MSI 方向的最新應(yīng)用。

表2 3 種MSI 方法的對比Table 2 Comparison of three methods of MSI

2.1 二次離子質(zhì)譜技術(shù)

二次離子質(zhì)譜（SIMS）的原理是在真空條件下利用高能初級(jí)離子束撞擊樣本表面使樣品表面分子離子化為次級(jí)離子，再使用質(zhì)量分析器根據(jù)不同的質(zhì)荷比（mass-to-charge ratio，m/z）將其分離，隨后離子到達(dá)檢測器產(chǎn)生質(zhì)譜圖。使用初級(jí)離子束逐像素掃描樣品表面并記錄光束的位置，即可在掃描區(qū)域內(nèi)構(gòu)建每個(gè)離子信號(hào)強(qiáng)度的彩色圖，從而獲得可以顯示離子在樣品表面分布情況的離子圖像［41］。此外，還可以從一系列連續(xù)的二維離子圖像中進(jìn)行三維重建，從而使樣品表面下方的分子的分布可視化。

目前，SIMS 有兩個(gè)主要平臺(tái)，即飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜（time of flight secondary ion mass spectrometry，TOF-SIMS）和納米級(jí)SIMS（nano SIMS），它們能夠分別在單細(xì)胞和細(xì)胞器水平上對不同類型的生物分子進(jìn)行成像。同時(shí)，可用于SIMS 分析的生物組織樣品很多，包括各類動(dòng)植物器官切片以及其他仿生生物結(jié)構(gòu)體系等［42］。面對檢測樣品的復(fù)雜化和檢測要求的多樣化，近年來還出現(xiàn)了許多具有串聯(lián)、混合式質(zhì)量分析器的SIMS 儀器，如Passarelli 等［43］開發(fā)出的具備TOF-Orbitrap 混合質(zhì)量分析器的SIMS設(shè)備，稱為3D-OrbiSIMS，它具有在保持SIMS 微米至亞微米級(jí)空間分辨的優(yōu)勢下兼具Orbitrap 質(zhì)量分析器的強(qiáng)大物質(zhì)鑒定能力，是目前最先進(jìn)的SIMS 系統(tǒng)之一。

與其他質(zhì)譜成像技術(shù)相比，SIMS 擁有目前質(zhì)譜成像技術(shù)中最高的空間分辨率（100 nm）。但由于其初級(jí)離子束能量較高，破壞力較強(qiáng)，易產(chǎn)生碎片離子，所測的質(zhì)量范圍較小，當(dāng)分析物的分子量超過2 000 Da 時(shí)靈敏度顯著降低，因此更適用于小分子物質(zhì)和樣品表面元素的質(zhì)譜成像分析。研究發(fā)現(xiàn)，通過在組織樣本表面噴涂一薄層金屬原子或者化學(xué)基質(zhì)，形成基質(zhì)增強(qiáng)型SIMS［44］，可以有效擴(kuò)大SIMS 的檢測范圍并提高其靈敏度，目前已成功用于脂質(zhì)、多肽等生物分子的成像研究。

2.2 常壓敞開式離子化技術(shù)

上述MALDI 和SIMS 是兩種重要的MSI 方法，然而兩者（除去大氣壓MALDI）都需要在真空環(huán)境中進(jìn)行。為了克服這一挑戰(zhàn)，2004年首次發(fā)表的解吸電噴霧電離質(zhì)譜分析（desorption electrospray ionization mass spectroscopy，DESI MS）技術(shù)，使得樣品無需預(yù)處理或僅需簡單的前處理即可在常壓條件下從各種載物的表面直接對固相或凝固相樣品進(jìn)行原位分析［45］，提高了質(zhì)譜分析速度以及檢測通量。這一突破性技術(shù)大大簡化了分析過程，從而產(chǎn)生了多種常壓敞開式原位電離技術(shù)，加速了原位MSI 技術(shù)的發(fā)展。Javanshad 和Venter［46］還將原位電離的定義從經(jīng)常被吹捧的“無樣品制備”更新為通過電離和分析步驟實(shí)時(shí)進(jìn)行近端樣品制備加工，并提出了一種新的原位電離質(zhì)譜技術(shù)分類方案。

目前，應(yīng)用于MSI 的常壓敞開式離子化技術(shù)主要可分為以下3 類：基于激光（laser-based）、基于等離子體（plasma-based）和基于電噴霧（spraybased）的電離技術(shù)。基于激光輔助解吸的離子化技術(shù)，包括常壓基質(zhì)輔助激光解吸電離（atmospheric pressure matrix-assisted laser desorption ionization，AP-MALDI）、激光刻蝕電噴霧電離（laser ablation electrospray ionization，LAESI）；基于等離子體的離子化技術(shù)，包括實(shí)時(shí)直接分析（direct analysis in real time，DART），低溫等離子體探針（low temperature plasma，LTP）等；基于電噴霧的離子化技術(shù)有：解吸電噴霧電離（DESI）、液體萃取電噴霧電離（liquid extraction electrospray ionization，LEESI）等。其中，在MSI 實(shí)驗(yàn)中最常用的是DESI 技術(shù)，這是對樣品破壞性最小的環(huán)境電離質(zhì)譜組織成像方法之一，已被廣泛開發(fā)為用于分離各種組織病理學(xué)類別的組織區(qū)域以用于診斷應(yīng)用的工具，并越來越多地被應(yīng)用到揭示體內(nèi)藥物分布的獨(dú)特模式、發(fā)現(xiàn)潛在可治療的生化途徑、揭示新的可藥物靶點(diǎn)上［47］。

對于DESI-MSI，樣品的離子化具體過程為施加有一定高電壓的噴霧溶劑從毛細(xì)管噴出，在外側(cè)霧化管所噴出的高速氣流的作用下霧化形成帶電的液滴，液滴加速作用于載體的樣品表面并濺射出溶解有多種分子的次級(jí)帶電液滴。次級(jí)液滴的溶劑快速蒸發(fā)，電荷轉(zhuǎn)移到待測分子使其形成氣態(tài)樣品離子，離子再通過離子傳輸管進(jìn)入質(zhì)譜分析器而被檢測。在最近的報(bào)道中，Marta 等［48］使用 DESI-MSI 對透明細(xì)胞腎細(xì)胞癌的代謝特征（游離脂肪酸、代謝物和復(fù)合脂質(zhì)）進(jìn)行成像和化學(xué)表征，結(jié)果證明了DESI-MSI 可以根據(jù)代謝特征的變化實(shí)現(xiàn)對腎細(xì)胞癌的快速診斷。而在另一項(xiàng)研究中，Yang 等［49］的團(tuán)隊(duì)在脂質(zhì)組學(xué)水平上成功構(gòu)建了一種將DESI-MSI 與套索回歸模型（least absolute shrinkage and selection operator，LASSO）相結(jié)合的分子診斷模型，成像結(jié)果清楚地描繪了腫瘤和正常組織的空間分割，不僅能夠準(zhǔn)確區(qū)分口腔鱗狀細(xì)胞癌手術(shù)不同切緣狀態(tài)，還能對口腔癌手術(shù)安全切緣距離進(jìn)行個(gè)性化測量。

雖然DESI-MSI 在對小分子化合物成像時(shí)具有顯著的優(yōu)勢，但DESI 空間分辨率較低，一般100-200 μm，盡管通過優(yōu)化溶劑組成及流速可以將分辨率提高至12 μm，但其與SIMS 和MALDI-MSI 相比仍有一定差距；此外，由于蛋白質(zhì)大分子和非極性物質(zhì)較難解離，DESI 對此類物質(zhì)的靈敏度相對較低。這些不足限制了DESI 在更多領(lǐng)域的應(yīng)用?；诖?，已經(jīng)開發(fā)了一系列DESI-MSI 的變體技術(shù)，如納米DESI-MSI、氣流輔助解吸電噴霧電離質(zhì)譜成像（air flow-assisted desorption electrospray ionization mass spectrometry imaging，AFADESI-MSI）等以擴(kuò)大DESI在生物組織成像方面的應(yīng)用。

2.3 離子淌度技術(shù)與MSI聯(lián)用

離子淌度譜（ionic mobility spectroscopy，IMS）是一種快速的氣相分離技術(shù)，其原理是帶電離子進(jìn)入含有淌度氣體的淌度池后，由于質(zhì)荷比、分子形狀和帶電荷數(shù)的不同，使離子跟碰撞室內(nèi)的淌度氣體的碰撞截面積（collision cross section，CCS）不同而實(shí)現(xiàn)分離。經(jīng)過淌度分離，可以得到離子的漂移時(shí)間和CCS，從而進(jìn)行對離子形狀的判斷及定性分析。將IMS 與MS 聯(lián)用，在質(zhì)量分析之前對具有相同或相似質(zhì)荷比的離子進(jìn)行有效分離，可以獲得一個(gè)新的數(shù)據(jù)維度，增強(qiáng)了異構(gòu)體分離、擴(kuò)大了分子覆蓋范圍、提高了信噪比以及準(zhǔn)確觀察分子空間分布和定位的能力［50］。

目前，IMS 已與上述的MALDI、DESI、LAESI等多種MSI 技術(shù)集成，并成功用于生物樣本中小分子代謝物、藥物分子和脂質(zhì)的原位成像［50-51］。如Fu等［52］使用MALDI-IMS-MSI 方法對淡水甲殼類動(dòng)物組織切片中的等壓/異構(gòu)脂質(zhì)進(jìn)行原位成像和鑒定，首次成功展示了3 種同量異位脂類在m/z為782.561處的明顯分布。Towers 及其研究團(tuán)隊(duì)［53］利用DESI結(jié)合行波離子淌度譜（travelling wave ion mobility spectrometry，TWIMS）直接對大鼠組織切片中的蛋白質(zhì)和肽進(jìn)行成像，與常規(guī)DESI-MSI 相比，DESITWIMS-MSI 能夠分離高度復(fù)雜的重疊信號(hào)，顯著提高了信噪比和成像分辨率（150 μm）。還有研究者描述了一種通過LAESI-IMS-MS 直接分析和成像貼壁哺乳動(dòng)物細(xì)胞中小分子代謝物和脂質(zhì)的方案［54］，通過結(jié)合IMS，可以在同一次LAESI 采集中分別提取和分離與背景、洗滌緩沖液和細(xì)胞信號(hào)相關(guān)的光譜特征。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，IMS-MS 成像的前景一片光明，該技術(shù)強(qiáng)大的分離能力和越來越高的分辨率能夠給研究人員帶來關(guān)于生物樣本的更詳細(xì)的信息。

3 數(shù)據(jù)處理新方法助推生物組織的MSI

數(shù)據(jù)分析是MSI 的重要組成部分。然而隨著MSI 技術(shù)的發(fā)展以及質(zhì)量分辨率和空間分辨率的提高，每個(gè)生物組織切片可能會(huì)產(chǎn)生幾百千兆字節(jié)的龐大原始成像數(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析帶來了困難，這也是MSI 在實(shí)際應(yīng)用的主要障礙。為了滿足MSI 數(shù)據(jù)處理的需要，需要開發(fā)許多特定的軟件包。

一種開放數(shù)據(jù)格式imzML 的引入使免費(fèi)和開源軟件更加兼容［55］。目前常見的開源軟件包和免費(fèi)開放的MSI 平臺(tái)包括 MSIReader［56］、OmniSpec［57］、BioMap 和Datacube［58］等。在最近的報(bào)道中，He 等［59］開發(fā)了一款名為MassImager 的新商業(yè)軟件用于MSI數(shù)據(jù)分析，可以實(shí)現(xiàn)交互式可視化、原位生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)和人工智能病理診斷等功能。由Cordes 開發(fā)的M2aia［60］是第一個(gè)可擴(kuò)展的開源應(yīng)用程序，它支持對MSI 大型數(shù)據(jù)集進(jìn)行快速、用戶友好和交互式探索，實(shí)現(xiàn)3D 圖像重建。此外，許多研究人員還結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法開發(fā)出了新的MSI 生物信息學(xué)平臺(tái)，如Kirill 等［61］引入了pyBASIS 計(jì)算平臺(tái)，使用機(jī)器學(xué)習(xí)和相關(guān)模式識(shí)別改進(jìn)組織樣本的原位信息恢復(fù)和比較分析，使得大規(guī)模數(shù)據(jù)處理更容易，重復(fù)性更高。而Zhang 等［62］使用預(yù)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了一種深度學(xué)習(xí)方法模型，能夠從MSI 數(shù)據(jù)的離子圖像中提取高級(jí)特征，證明了使用神經(jīng)離子圖像能更好地解釋離子圖像之間的局部顯著差異，從而在后續(xù)獲得更精細(xì)的聚類結(jié)果。

4 總結(jié)

原位質(zhì)譜成像技術(shù)與其他傳統(tǒng)分子成像手段相比，可以對組織或細(xì)胞樣品實(shí)現(xiàn)直接、快速、無損的原位分析，無需標(biāo)記或特異性的探針修飾，既簡化了處理，也避免了因標(biāo)記引入的外源性或標(biāo)記物本身的多親和力的影響。同時(shí)MSI 靈敏度較高，檢測范圍高覆蓋，可對目標(biāo)或非目標(biāo)分子同時(shí)進(jìn)行成像分析，包括組織中的生物分子、藥物和完整的蛋白質(zhì)等。種種優(yōu)勢使得MSI 技術(shù)在生物醫(yī)藥、食品科學(xué)、植物學(xué)研究等領(lǐng)域越來越受到青睞，但目前從總體來看，MSI 技術(shù)還存在一些不容忽視的局限性和改進(jìn)的空間，如較低的分子電離水平限制了更高的空間分辨率的實(shí)現(xiàn)，只能對分析物進(jìn)行半定量和相對定量、除脂質(zhì)外其他類代謝物如蛋白和肽目前還沒有成熟的方案用于常規(guī)分析等。將MSI 技術(shù)廣泛應(yīng)用到生命科學(xué)基礎(chǔ)研究中任重而道遠(yuǎn)，需要研究者們在此方面進(jìn)行更加深入地研究。

5 展望

5.1 MSI單細(xì)胞水平化

未來，MSI 將會(huì)朝著更高的空間分辨率以實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞或亞細(xì)胞水平分析的方向發(fā)展。最近的一些研究通過開發(fā)新的離子源、引入高能氣體團(tuán)簇離子束、使用專用光學(xué)裝置等將各種MSI 技術(shù)的空間分辨率提高到亞微米級(jí)［63-65］，在生物研究的各個(gè)方面提供了新的視角和可能性，如結(jié)合深度分析實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞3D 成像［66］，通過非靶向方法探索代謝途徑以及脂質(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)和金屬-蛋白質(zhì)在從亞細(xì)胞到整個(gè)生物體的復(fù)雜系統(tǒng)中的相互作用，以及綜合利用多模態(tài)成像和高精度監(jiān)測技術(shù)來提供MSI 的亞細(xì)胞橫向分辨率。

5.2 MSI絕對定量化

隨著各領(lǐng)域的更深入研究，對提供定性信息的MSI 提出了更高的要求，需要開發(fā)新方法來發(fā)展定量MSI（quantitative mass spectrometry imaging，QMSI）［67］以提供更加準(zhǔn)確且有意義的空間和豐度信息。為了在QMSI 實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行準(zhǔn)確定量，需要利用不同的策略來提高分析物分子的提取和電離效率，一方面要對基質(zhì)效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，如開發(fā)規(guī)范化策略、更好的樣品制備步驟、選擇合適的基質(zhì)、使用基質(zhì)添加劑以及組織衍生化等手段；另一方面，需要降低信號(hào)變異性，目前已有的相關(guān)研究有使用串聯(lián)質(zhì)譜（MS/MS）、優(yōu)化激光能量和掃描速度以及改進(jìn)數(shù)據(jù)分析方法等。

此外，近年來越來越多研究著眼于合成納米核@殼顆粒（如SiO2@Au nanoshells［68］等）新型材料輔助的表面激光解吸/電離質(zhì)譜，有的還結(jié)合適配體以選擇性捕獲并富集目標(biāo)分子，輔以信號(hào)放大策略，實(shí)現(xiàn)對生物流體中代謝物的準(zhǔn)確定量分析［69］，但目前還沒有出現(xiàn)將其應(yīng)用到成像領(lǐng)域的報(bào)道?；谄鋬?yōu)異性能，未來必然會(huì)成為MSI 領(lǐng)域的一大熱門研究方向，助力實(shí)現(xiàn)QMSI，以推動(dòng)MSI 技術(shù)在空間組學(xué)和精準(zhǔn)醫(yī)療等生物醫(yī)藥前沿領(lǐng)域的應(yīng)用。

5.3 MSI儀器便攜化

需要不斷開發(fā)新型的小型便攜化MSI 儀器設(shè)備以使MSI 技術(shù)適用于更多的應(yīng)用場景。同時(shí)，亟待著掌握計(jì)算機(jī)知識(shí)的復(fù)合型研究人才研發(fā)更開源、實(shí)用、強(qiáng)大的生物信息學(xué)工具以及數(shù)據(jù)處理新手段，助力MSI 技術(shù)實(shí)現(xiàn)從小分子到大分子，從亞細(xì)胞到多細(xì)胞，從器官到個(gè)體生物的更加廣泛全面的應(yīng)用。