李 芳, 羅 茜

(中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院, 廣東 深圳 518055)

人類多數(shù)疾病的發(fā)生是由環(huán)境和基因因素共同驅(qū)動,超過70%的疾病與環(huán)境污染有關(guān)[1]。明確環(huán)境污染暴露與人體健康及特定疾病間的因果關(guān)系,鎖定關(guān)鍵風(fēng)險因子,有助于疾病的精準防控。重金屬、顆粒物和有機污染物等的暴露從妊娠期開始貫穿整個生命周期,可通過呼吸、飲食、皮膚接觸和母嬰傳遞等途徑進入體內(nèi),并對健康產(chǎn)生潛在威脅。污染物對健康的影響十分復(fù)雜,進入體內(nèi)后由血液或其他體液轉(zhuǎn)送到機體各個組織和器官,進行代謝和蓄積,通過與多種生物分子相互識別和交互作用而產(chǎn)生毒性效應(yīng)[2]。闡明外源性污染物在生物體內(nèi)和特定器官微區(qū)中的分布特征及暴露引發(fā)的毒性效應(yīng)是環(huán)境毒理學(xué)研究的重要內(nèi)容。除了常規(guī)毒理學(xué)手段,組學(xué)技術(shù)也是目前解析污染物毒性效應(yīng)的有力工具。內(nèi)源性代謝物不僅可以放大相關(guān)基因和蛋白質(zhì)的變化,還可作為調(diào)節(jié)劑直接調(diào)控生理過程和表型,定量描述代謝物變化的代謝組學(xué)技術(shù)已被用于多種環(huán)境污染物的毒性效應(yīng)、作用機制和生物標志物研究中[3]。

組織中外源性污染物的分布呈不均勻且動態(tài)變化,內(nèi)源性代謝物合成和累積也具有精準的空間分布,這與組織的細胞異質(zhì)性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性有關(guān)[4]。常用的正電子發(fā)射斷層掃描(PET)、磁共振成像(MRI)、熒光成像和拉曼成像等分子成像技術(shù)具有高靈敏度、高分辨率、實時性和非侵入性等優(yōu)勢,但難以在無標記的基礎(chǔ)上同時實現(xiàn)組織中數(shù)百種及以上化合物的可視化分析。質(zhì)譜技術(shù)是污染物和內(nèi)源性代謝物定性和定量分析最主要的技術(shù)手段。常規(guī)分析時需將生物樣品和組織勻漿處理以獲得豐富的分子信息,但此操作會導(dǎo)致待測物的空間信息丟失。應(yīng)運而生的激光顯微切割技術(shù)通過對特定位置細胞和組織進行取樣而保留待測物的空間位置信息,是目前空間多組學(xué)分析的關(guān)鍵技術(shù),但后續(xù)生物分子的空間分布重構(gòu)較為復(fù)雜。質(zhì)譜成像技術(shù)(mass spectrometry imaging, MSI)是一種基于質(zhì)譜分析的新型分子影像技術(shù),能夠直接掃描生物組織切片,從而獲得大量已知或未知內(nèi)源性和外源性化合物(如小分子代謝物、蛋白質(zhì)、多肽、脂質(zhì)和藥物等)的化學(xué)結(jié)構(gòu)、相對含量和空間分布信息[5]。Huang等[6]利用此技術(shù)對氯化石蠟和六溴環(huán)十二烷在斑馬魚器官中的毒代動力學(xué)和代謝毒性效應(yīng)進行了原位表征。本文基于不同MSI技術(shù)原理和特點,系統(tǒng)綜述了MSI技術(shù)在環(huán)境污染物分析和代謝毒性效應(yīng)解析方面的應(yīng)用進展。

1 質(zhì)譜成像技術(shù)概述

1.1 MSI技術(shù)原理

MSI技術(shù)是一種以質(zhì)譜為基礎(chǔ)的表征離體組織和細胞中元素和化合物空間分布的免標記影像技術(shù)。通過一個聚焦的電離源(如離子槍、激光、分子束等)直接掃描樣品使其表面分子解吸離子化,通過質(zhì)量分析器檢測各個像素點的質(zhì)荷比(m/z)和離子強度,最終由成像軟件結(jié)合質(zhì)譜數(shù)據(jù)和位置信息對待測物的空間分布進行重構(gòu)和可視化[7]。該技術(shù)可提供生物整體、組織微區(qū)、單細胞或亞細胞尺度待測物的定性、相對定量和定位信息。MSI技術(shù)于1997年首次用于大鼠垂體中激素肽和胰腺組織中胰島素的可視化分析,隨著電離源技術(shù)和質(zhì)量分析器的發(fā)展與進步,目前已在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、環(huán)境科學(xué)等多個領(lǐng)域得到應(yīng)用。

1.2 常用質(zhì)譜成像技術(shù)類型

目前常用MSI技術(shù)根據(jù)離子化方式的不同可分為基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜成像技術(shù)(matrix assisted laser desorption ionization mass spectrometry imaging, MALDI-MSI)、解吸電噴霧電離質(zhì)譜成像技術(shù)(desorption electrospray ionization mass spectrometry imaging, DESI-MSI)、二次離子質(zhì)譜成像技術(shù)(secondary ion mass spectrometry imaging, SI-MSI)和激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜成像技術(shù)(laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry imaging, LA-ICP-MSI)等[8]。這些技術(shù)在適用分析對象和空間分辨率等方面各具特點,詳見表1。

表1 常見質(zhì)譜成像技術(shù)的比較

1.2.1MALDI-MSI技術(shù)

MALDI-MSI是目前應(yīng)用最廣泛的MSI技術(shù),通過激光束照射基質(zhì)噴涂過的樣品表面,基質(zhì)吸收激光能量并傳遞給待測物使其解吸與離子化,適用于生物樣本表面代謝物、多肽、蛋白質(zhì)和藥物等化合物的可視化分析[9]。除了激光激發(fā)波長和強度外,基質(zhì)選擇對于MALDI離子化效率至關(guān)重要。常用基質(zhì)包括2,5-二羥基苯甲酸(DHB)、α-氰基-4-羥基肉桂酸和芥子酸等[10],但它們存在背景峰干擾高、選擇性弱和相對分子質(zhì)量較低的化合物電離效率低等問題。為此,研究者們開發(fā)了9-氨基吖啶、N-(1-萘基)乙二胺二鹽酸鹽、1,5-二氨基萘、烷基化DHB和3-氨基鄰苯二甲酰肼等有機小分子[11,12]和金、銀、碳及其氧化物等無機納米材料新型基質(zhì)[13,14]。近期,我們團隊開發(fā)了一類具有甲基吡啶鎓甲醛陽離子結(jié)構(gòu)的反應(yīng)性試劑,可與膽固醇的羥基進行親核加成反應(yīng)促進其解吸和電離[15]。該技術(shù)成像空間分辨率取決于基質(zhì)結(jié)晶尺寸和激光光斑尺寸,真空MALDI分辨率為5～10 μm,大氣壓MALDI分辨率最高可達1.4 μm[16]。最新的激光誘導(dǎo)后電離(MALDI-2)技術(shù)將空間分辨率提升至0.6 μm,靈敏度也提高了1～3個數(shù)量級[17]。

1.2.2DESI-MSI技術(shù)

DESI-MSI是一種常壓常溫、敞開式MSI技術(shù),高速霧化氣帶動溶劑在高電壓下形成電噴霧,直接吹掃樣品表面濺射出含待測物的次級帶電液滴束,溶劑快速蒸發(fā)將電荷轉(zhuǎn)移給待測物并使其形成氣態(tài)離子,通過離子傳輸管進入質(zhì)量分析器[18]。成像效果與電噴霧溶劑組成和流速有關(guān),會影響樣品表面待測物的溶解度、擴散性和離子化效率,主要用于分子質(zhì)量2 000 Da以下化合物的分析。成像空間分辨率受噴霧裝置限制,噴嘴與樣品表面和質(zhì)譜進樣口間的距離和角度對空間分辨率和信號強度影響極大?，F(xiàn)有商業(yè)儀器空間分辨率為20 μm,對于大面積生物樣品和非生物樣品中化合物成像分析獨具優(yōu)勢。Laskin等[19]采用2個二氧化硅毛細管組裝的納噴解吸電噴霧電離源(Nano-DESI),通過將探針與流動相形成流動溶劑橋直接接觸樣品表面進行成像分析,離子傳輸效率大大提升且易產(chǎn)生多電荷蛋白質(zhì)離子,最新研究將此技術(shù)空間分辨率降至7 μm[20]。

1.2.3SI-MSI技術(shù)

SI-MSI技術(shù)可用于元素和分子質(zhì)量小于1 000 Da的疏水性化合物的可視化分析,是目前空間分辨率最高的MSI技術(shù)。在高真空環(huán)境下,利用聚焦的高能初級離子束轟擊樣品表面,產(chǎn)生次級離子進入質(zhì)量分析器進行分析,已被用于地球科學(xué)、材料科學(xué)和生命科學(xué)等領(lǐng)域[21]。根據(jù)離子束類型和束流大小可分為動態(tài)SI-MSI和靜態(tài)SI-MSI。前者采用單原子離子束(如CS+、O-和Ar+等)進行元素成像分析,納米SI-MSI成像空間分辨率可達50 nm;后者以多原子或團簇原子離子束(如Au3+、Bi3+、C60+、Ar2500+和Au400+等)進行化合物和部分元素成像分析,空間分辨率為μm尺度。SI-MSI技術(shù)分析分子質(zhì)量較大化合物時存在二次離子產(chǎn)額較低且離子碎片化嚴重。Tian等[22]開發(fā)的可用于SI-MSI系統(tǒng)的70 keV (CO2)n+(n>10 000)氣團離子束,化學(xué)破壞性較低,可檢測化合物分子質(zhì)量范圍擴大到了3 000 Da,空間分辨率降至1 μm。

1.2.4LA-ICP-MSI技術(shù)

與前三者技術(shù)不同,LA-ICP-MSI技術(shù)發(fā)展最早且最為成熟,主要用于元素可視化分析。通過將激光束聚焦于樣品表面使微區(qū)樣品熔蝕氣化,由載氣將樣品微粒送至等離子體中進行原子化并電離,最后進入質(zhì)量分析器進行檢測,具有分析速度快、進樣效率高、可進行多元素同時分析并提供同位素信息的優(yōu)勢。自2003年首次被用于表征羊肝臟組織中Cu的分布后,LA-ICP-MSI技術(shù)開始被廣泛用于生命科學(xué)領(lǐng)域中的元素成像分析[23]。由于衍射極限和透鏡數(shù)值孔徑限制,LA-ICP-MS技術(shù)的空間分辨率在μm尺度。Meng等[24]研制的三通結(jié)構(gòu)樣品剝蝕池使LA-ICP-MS成像系統(tǒng)空間分辨率降低至0.4 μm,并實現(xiàn)了對小鼠小腸組織和Hela細胞內(nèi)藥物和納米材料的可視化分析。近年來,將LA-ICP-MS技術(shù)與免疫組織化學(xué)技術(shù)相結(jié)合的質(zhì)譜流式成像系統(tǒng)可在單細胞層面實現(xiàn)數(shù)十個蛋白質(zhì)和其他生物分子的成像分析,擴大了可檢測目標物范圍。

1.2.5其他技術(shù)

隨著離子化技術(shù)的革新,一系列解吸/后電離和等離子體新型電離技術(shù)不斷出現(xiàn)。空氣動力輔助離子源(AFAI-DESI)利用空氣流實現(xiàn)大氣壓中離子或帶電液滴的遠距離傳輸,在質(zhì)譜入口富集帶電液滴,提高了離子化效率,并擴展了待測樣品的應(yīng)用空間[25]。激光消融電噴霧電離源通過先將待測物激光消融解吸后再進行電噴霧離子化,可進行大分子質(zhì)譜化合物的成像分析[26]。介質(zhì)阻擋放電電離源通過在兩個放電電極之間放置絕緣介質(zhì),施加交流電壓使兩電極間的惰性氣體或混合氣體電離形成穩(wěn)定低溫等離子體,并對載體上的待測物進行解吸和離子化[27]。低溫等離子體電離源則是利用氣體(He、Ar或空氣)在電場放電作用下產(chǎn)生的低溫等離子體噴射樣品表面使待測化合物解吸并離子化[28]。這些離子化技術(shù)在檢測目標物類別、空間分辨率、電離效率、穩(wěn)定性和靈敏度等方面得到了不同程度的提升和改進。

1.3 常見MSI質(zhì)量分析器

質(zhì)量分析器是成像質(zhì)譜儀的核心組成部分,高質(zhì)量分辨率和質(zhì)量精度是進行化合物準確注釋的必要條件。MSI技術(shù)多采用高分辨質(zhì)量分析器。飛行時間質(zhì)譜儀(TOF MS)因靈敏度高、分析速度快、可同時檢測多個分子且理論上無質(zhì)量檢測上限,成為MSI技術(shù)最常用的質(zhì)量分析器。靜電場軌道阱質(zhì)譜、傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜和多反射TOF MS的質(zhì)量分辨率> 100 000、質(zhì)量精度< 10-6(1 ppm),常與DESI、常壓MALDI和AFAI-DESI等離子化技術(shù)相結(jié)合[29-31]。近年來,離子淌度技術(shù)因?qū)Y(jié)構(gòu)類似物和同分異構(gòu)體的分離能力強在MSI系統(tǒng)中表現(xiàn)出獨特優(yōu)勢,顯著提高了化合物的鑒定準確性和成像精度,尤其在脂質(zhì)組可視化分析方面。Djambazova等[32]將捕集離子淌度技術(shù)用于MALDI-MSI系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)峰容量提高了250%,實現(xiàn)了對脂質(zhì)sn位置、酰基鏈和C=C位置異構(gòu)體的分離。近日,研究者將淌度分離后的母離子不經(jīng)質(zhì)量隔離而完全碎裂并進行非依賴數(shù)據(jù)采集,結(jié)合智能譜圖解卷積算法實現(xiàn)了多種脂質(zhì)的結(jié)構(gòu)解析和組織空間分布可視化,在不增加成像分析時間的情況下顯著提升了脂質(zhì)組結(jié)構(gòu)解析能力[33]。

1.4 質(zhì)譜成像技術(shù)分析流程

MSI分析工作流程為樣品制備-質(zhì)譜數(shù)據(jù)采集-數(shù)據(jù)處理與可視化分析,見圖1。以小鼠腎臟組織成像為例,首先收集新鮮腎臟組織立即冷凍,冰凍切片(厚度5～20 μm),并進行切片預(yù)處理;以網(wǎng)格劃分模式進行質(zhì)譜分析獲得各像素點質(zhì)譜圖,經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理后進行鑒定、統(tǒng)計分析和可視化。

圖 1 常見MSI技術(shù)及工作流程Fig. 1 Common MSI techniques and visual workflow

維持組織形態(tài)不變和組織完整性對物質(zhì)分子信號強度和定位十分重要,同時組織切片操作和保存不當也會導(dǎo)致表面分子降解移位影響質(zhì)譜成像的準確性和真實性。數(shù)據(jù)采集質(zhì)量取決于成像質(zhì)譜儀的性能,根據(jù)需求選擇離子化技術(shù),高分辨率和高精度質(zhì)量分析器是分子鑒定的必要條件。低極性、難電離物質(zhì)分子是MSI可視化分析的難點,研究者們采用酯化、?；?、加成、取代、氧化等化學(xué)原位衍生化技術(shù)增強它們的電離效率,并改變分子質(zhì)量與背景信號進行區(qū)分。Shariatgorji等[34]使用具有1-甲基-2-氟代吡啶陽離子結(jié)構(gòu)的試劑對一級胺、二級胺和酚類等多種神經(jīng)遞質(zhì)進行原位衍生化,實現(xiàn)了腦組織中神經(jīng)遞質(zhì)的全景式可視化分析。海量成像數(shù)據(jù)經(jīng)基線校正、峰提取、峰對齊與峰校正、峰歸一化等數(shù)據(jù)預(yù)處理后進行化合物重構(gòu)和可視化[35],可用的成像軟件包括SCiLS lab、HDI和MassImagerTM等商業(yè)化軟件和MALDIquant、Cardinal、rMSIproc8、MSireader和Datacube Explorer等開源軟件。此外,以MSI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),與組織學(xué)染色或影像學(xué)數(shù)據(jù)多模態(tài)融合實現(xiàn)分子信息與解剖結(jié)構(gòu)間的空間匹配,可更全面解讀污染物的毒性效應(yīng)[36]。

2 質(zhì)譜成像技術(shù)在環(huán)境污染物分析研究中的進展

外源性的污染物進入生物體內(nèi)后會分布到全身各個組織和器官,在不同組織和器官中的代謝速度和累積量不同。生物體內(nèi)污染物分布特征描述和量化是環(huán)境毒理學(xué)研究的重要內(nèi)容。MSI技術(shù)已被用于模式動物和植物中多種重金屬、顆粒物和有機污染物的可視化分析,見表2。

表2 MSI技術(shù)在生物體內(nèi)環(huán)境污染物分布特征研究中的應(yīng)用

2.1 重金屬

重金屬是一類重要的環(huán)境污染物,進入體內(nèi)后不易被排出。Zarco-Fernández等[37]采用LA-ICP-MSI技術(shù)研究了Cd(Ⅱ)、CH3Hg(Ⅱ)、Ag(Ⅰ)和iAs(Ⅲ)暴露48 h后在斑馬魚中的分布特征,發(fā)現(xiàn)Cd(Ⅱ)主要富集在眼睛處,CH3Hg(Ⅱ)則主要富集在消化道,其余兩個金屬離子均未進入體內(nèi)。Wang等[38]發(fā)現(xiàn)TiO2納米顆粒能顯著增加線蟲生殖腺和胚胎中Cd的負荷量,促進Cd通過種系轉(zhuǎn)移到下一代。Pessa等[39]采用此技術(shù)發(fā)現(xiàn)Cd可從土壤轉(zhuǎn)移到葵花仁種子中,且子葉中含量最高。由于缺乏與待測樣品基體匹配的標準物質(zhì)、易受基體效應(yīng)、分餾效應(yīng)和質(zhì)量歧視等影響,LA-ICP-MSI技術(shù)難以對組織內(nèi)元素進行絕對定量分析,可采用油墨印刷、干燥液滴、明膠薄膜基質(zhì)等策略進行校正。

2.2 顆粒物

日常生活環(huán)境中存在著大量的顆粒物,如PM2.5和人造納米顆粒等。研究者們采用LA-ICP-MSI技術(shù)解析納米顆粒在小鼠器官中的分布特征,發(fā)現(xiàn)Ag納米顆粒主要聚集在小鼠腎臟腎皮質(zhì)及其與髓質(zhì)交界區(qū)域,且后者處的含量明顯高于前者[40], PbO納米顆粒呼吸暴露后除了肺組織還會進入小鼠肝臟和腎臟組織中[41], CeO2納米顆粒主要累積在小鼠肝臟Kupffer細胞和小葉周圍,在脾臟的累積與暴露時長有關(guān),短期暴露主要累積在小鼠脾臟邊緣區(qū),長期暴露會深入白髓區(qū)[42]。此技術(shù)還被用于解析顆粒物在植物中的分布和遷移規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn)La2O3納米粒子主要分布在小球藻葉片的主靜脈中[43],石墨烯納米顆粒物富集在大豆葉片中央和主靜脈附近及根皮質(zhì)層,而氧化石墨烯則表現(xiàn)為更加均勻地向葉片周圍擴散和富集在根篩管部[44]。黑碳污染物可不使用基質(zhì)直接進行MALDI-MSI分析,且質(zhì)譜指紋圖譜不受其來源和形態(tài)影響,研究發(fā)現(xiàn)PM2.5來源的黑碳顆粒主要累積在小鼠肺部,且短期內(nèi)幾乎不會向其他組織和器官中轉(zhuǎn)移[45]。

2.3 有機污染物

有機污染物種類繁多,大多數(shù)具有生物累積性和持久性。Bian等[46]采用MALDI-MSI技術(shù)發(fā)現(xiàn)全氟辛酸能進入斑馬魚多個組織,在膽囊、肝臟、心臟、腎臟與腸道中的動態(tài)累積趨勢一致,在魚鰾、脊骨、鰓、肌肉與大腦一致,但與前者不同。Chen等[47]利用此技術(shù)發(fā)現(xiàn)全氟辛烷磺酸主要富集在小鼠腎臟腎盂和外皮質(zhì)區(qū),在髓質(zhì)和內(nèi)皮質(zhì)區(qū)含量較少。將此技術(shù)用于蜜蜂體內(nèi)煙堿類農(nóng)藥毒代動力學(xué)研究,發(fā)現(xiàn)呋蟲胺(dinotefuran)和啶蟲脒(acetamiprid)農(nóng)藥經(jīng)口暴露2 h后能迅速穿透蜜蜂的各種生物屏障分布在全身部位,并在腸道進行富集,6 h后呋蟲胺均勻分布在蜜蜂體內(nèi),而啶蟲脒則已降解50%[48]。此外,MSI技術(shù)還被用來解析植物中農(nóng)藥的遷移規(guī)律。Gerbig等[49]利用DESI-MSI技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)吡蟲啉(imidacloprid)在平枝栒子(Cotoneasterhorizontalis)葉片邊緣積聚,而甲硫威(methiocarb)分布較均勻;土壤中的樂果(dimethoate)25天時主要分布在長壽花(Kalanchoeblossfeldiana)運輸系統(tǒng)中,60天時則主要分布在葉片中。

總體來說,MSI技術(shù)可繪制外源性環(huán)境污染物在生物組織中的空間分布特征,為污染物的毒代動力學(xué)和植體內(nèi)遷移規(guī)律研究提供了更為直接的證據(jù)。與重金屬成像分析相比,生物組織中有機污染物的離子化效率低,目前商業(yè)化成像儀器僅可對少量有機污染物進行可視化分析。最新研究通過在AFAI-DESI噴霧溶劑中加入四苯基氯化膦提高多鹵化烷基化合物的離子化效率[6],發(fā)現(xiàn)短鏈氯化石蠟、中鏈氯化石蠟和六溴環(huán)十二烷可進入斑馬魚的多個組織中,前兩者在鰓、肝臟和心臟中含量最高,后者在腎臟中也高度富集。

3 質(zhì)譜成像技術(shù)在環(huán)境污染物毒性效應(yīng)研究中的進展

3.1 MSI技術(shù)用于模式生物中內(nèi)源性代謝物的空間分布特征研究

環(huán)境污染物毒性效應(yīng)研究常選與人類基因高度相似的模式生物進行暴露實驗,包括大小鼠和斑馬魚等,基于MSI的空間代謝組學(xué)技術(shù)可用于這些模式生物整體或特定組織中代謝物的可視化分析[50]。Pang等[31]采用AFAI-DESI-MSI技術(shù)表征了大鼠腦組織中的神經(jīng)遞質(zhì)、嘌呤、有機酸、多胺、膽堿和碳水化合物的微區(qū)分布,如乙酰膽堿在大腦皮質(zhì)中的豐度最高,γ-氨基丁酸在中腦、嗅球和下丘腦豐度較高,多巴胺主要分布在紋狀體,而組胺則主要分布在海馬和丘腦中,在此基礎(chǔ)上繪制了腦組織中不同微區(qū)間的代謝網(wǎng)絡(luò)圖譜。腦組織中脂質(zhì)也具有特異的微區(qū)分布特征[51],我們團隊采用DESI-MSI技術(shù)發(fā)現(xiàn)小鼠大腦中脂質(zhì)分布特征主要分為三類:白質(zhì)和丘腦區(qū)高豐度、皮層和海馬區(qū)高豐度及腦室區(qū)高豐度。斑馬魚因體型較小,采用明膠和羧甲基纖維素(CMC)包埋后可對胚胎、幼魚和成魚整體及特定組織進行MSI分析。研究發(fā)現(xiàn),部分磷脂酰膽堿(PC)和脂肪酸在斑馬魚眼睛、腦、鰓、腸中的含量明顯高于其他組織,如PC(34∶1)在眼睛、腦和脊柱中豐度較高,PC(o-32∶0)在鰓中豐度較高,PC(30∶0)則在眼睛視網(wǎng)膜和晶狀體中高度富集,脂肪酸則主要分布在鰓和腸道中[52,53]。Duenas等[54]采用MALDI-MSI技術(shù)也發(fā)現(xiàn)新受精斑馬魚胚胎中常見磷脂在胚盤內(nèi)和卵黃邊界均呈對稱分布,PC特異性富集在卵黃和囊胚區(qū),磷脂酰乙醇胺(PE)富集在胚盤中,磷脂酸(PA)和磷脂酸(PI)富集在囊胚區(qū),磷脂酰絲氨酸(PS)則富集在胚胎壁上。此外,研究者們也采用MSI技術(shù)建立了特定脂質(zhì)與大型溞、昆蟲等模式生物解剖特征的關(guān)聯(lián)性[55]。

3.2 MSI技術(shù)在環(huán)境污染物毒性效應(yīng)研究中的應(yīng)用

環(huán)境污染物暴露會引起生物體內(nèi)生物學(xué)過程受損,對結(jié)構(gòu)復(fù)雜且異質(zhì)性的靶器官和效應(yīng)器官的毒性效應(yīng)和機制更為復(fù)雜。基于MSI技術(shù)的空間代謝組學(xué)已被用于環(huán)境污染物毒性效應(yīng)、作用機制和暴露生物標志物研究中,詳見表3。

表3 MSI技術(shù)在環(huán)境污染物毒性效應(yīng)研究中的應(yīng)用

MSI技術(shù)用于研究環(huán)境污染物全身效應(yīng)時主要針對體型較小的斑馬魚、蜜蜂和蚯蚓等模式生物。Liu等[56]采用MALDI-MSI技術(shù)發(fā)現(xiàn)氟蟲腈暴露后斑馬魚體內(nèi)PC、PS和PI含量明顯下降,眼睛部位最為明顯,顯著變化脂質(zhì)包括PC (34∶2)、PC (34∶1)、PC (34∶2)、PC (36∶4)、PC (38∶6)、PS (18∶0/22∶6)、PI (18∶0/20∶4)和PI (18∶1/20∶4)。Zhang等[57]采用此技術(shù)發(fā)現(xiàn)石墨烯納米顆粒暴露會影響蚯蚓尾部區(qū)域丙氨酸和苯丙氨酸減少,頭部區(qū)域脯氨酸、組氨酸和精氨酸增加,且不同部位谷氨酸變化與暴露劑量有關(guān)。Huang等[6]采用AFAI-DESI-MSI技術(shù)發(fā)現(xiàn)短鏈和中鏈氯化石蠟暴露會導(dǎo)致斑馬魚體內(nèi)大多數(shù)內(nèi)源性代謝物濃度降低,前者主要引發(fā)肝臟中PC和PE含量下降和甘油三酯(TG)累積,后者主要引發(fā)肝臟、腸道、心臟、大腦中多胺和肌苷相關(guān)代謝物顯著降低;六溴環(huán)十二烷暴露可使得斑馬魚肌肉中脯氨酸、腎臟中肌酸和肌酐以及卵巢中甘油磷脂(PC和PE)含量升高。

基于空間代謝組學(xué)的環(huán)境污染物暴露對模式生物的器官毒性效應(yīng)研究主要采用MALDI-MSI技術(shù)。蔡宗葦教授團隊采用此技術(shù)對雙酚S的靶器官毒性效應(yīng)進行了全面解析,發(fā)現(xiàn)暴露后BALB/c裸鼠肝臟中PE、溶血PC(LPC)、溶血PE和溶血PS顯著升高,PC和PS顯著下調(diào),且部分脂質(zhì)呈非均勻變化[58];腎皮質(zhì)、髓質(zhì)和腎盂中炎癥相關(guān)神經(jīng)酰胺和鞘磷脂(SM)上調(diào),腎皮質(zhì)中與結(jié)構(gòu)脂質(zhì)甘油磷脂、鞘脂和甘油酯變化趨勢多樣[59];脾臟白質(zhì)中炎癥相關(guān)脂質(zhì)也發(fā)生了顯著變化[60]。該團隊還發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露后孕鼠胎盤和胎鼠腦組織中部分脂質(zhì)含量上調(diào)且空間分布變化,并以性別特異性差異方式誘導(dǎo)子代認知和情緒障礙[61]。我們團隊采用此技術(shù)表征了苯并[a]芘暴露小鼠不同靶器官脂質(zhì)的變化特征,發(fā)現(xiàn)小鼠肝臟組織中16個PC、LPC和SM共三類結(jié)構(gòu)脂質(zhì)空間分布發(fā)生變化,且含量均下調(diào)[62];腦組織皮層、海馬、白質(zhì)和丘腦4個腦區(qū)中甘油磷脂、甘油酯和脂肪酸含量也發(fā)生了變化,不同腦區(qū)差異脂質(zhì)類別明顯不同。此外,研究者們還發(fā)現(xiàn)Cd暴露會導(dǎo)致ICR小鼠肝臟中部分甘油二酯和甘油三酯含量下調(diào)[63],氯咪巴唑暴露可顯著影響斑馬魚卵巢中谷胱甘肽和脂肪酸代謝通路[64]。

總體來看,與代謝組學(xué)技術(shù)相比,基于MSI技術(shù)的空間代謝組學(xué)可原位表征生物體對污染物暴露的代謝應(yīng)答情況,尤其是在小體型模式生物和異質(zhì)性的組織和器官中。MSI技術(shù)為外源性污染物毒性效應(yīng)研究開辟了新視角,通過與常規(guī)毒理學(xué)技術(shù)或其他組學(xué)技術(shù)相結(jié)合可對污染物毒性進行全面解讀。

4 結(jié)論與展望

MSI技術(shù)在環(huán)境污染物分析及毒性效應(yīng)研究中發(fā)揮著重要作用,主要用來提供外源性污染物和內(nèi)源性代謝物在模式生物全身和特定組織中的含量和空間分布信息。不同離子化技術(shù)的工作原理、適用分析對象和成像空間分辨率等不同。采用MSI技術(shù)原位解析模式生物體內(nèi)污染物的毒代動力學(xué)與代謝應(yīng)答的毒性效應(yīng)研究,有助于闡明污染物的毒性效應(yīng)與作用機制,發(fā)現(xiàn)暴露生物標志物。盡管MSI技術(shù)表現(xiàn)出了獨特的原位可視化分析的優(yōu)勢,但對于低含量、難電離的有機污染物和內(nèi)源性代謝物的分析效果不佳。而且MSI技術(shù)本身也存在可重復(fù)性較差、數(shù)據(jù)采集時間長、化合物注釋和鑒定難等問題。為此,迫切需要研發(fā)能夠兼顧高分辨率和成像速度的新型高靈敏度的成像質(zhì)譜,開發(fā)先進的質(zhì)譜成像軟件和海量數(shù)據(jù)的挖掘系統(tǒng)。此外,發(fā)展多模態(tài)成像技術(shù),將MSI與其他分子成像技術(shù)和空間組學(xué)技術(shù)相結(jié)合,以最大限度地獲取化學(xué)和生物信息,全面解析污染物的毒性。隨著MSI成像技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,必將進一步推動環(huán)境污染物分析及毒理學(xué)研究,極大地拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。