质谱成像 (MSI) 技术作为一种无标记检测技术，在对完整样本中天然生物分子进行空间分辨研究时具有重要的应用价值。但由于该技术的空间分辨率受物理和仪器因素的限制，并且该技术检测离子的可及性和质量范围有限，因此通常难以应用于单细胞检测领域。近期，伊利诺伊大学芝加哥分校的Ruixuan Gao团队在Nature Communications 上发表题为“Gel-assisted mass spectrometry imaging enables sub-micrometer spatial lipidomics”的文章。基于分析物和高吸水性水凝胶之间的可逆相互作用，作者开发了一种名为凝胶辅助质谱成像 (Gel-Assisted Mass Spectrometry Imaging, GAMSI) 的样品制备和成像工作流程，以克服现代质谱仪的空间分辨率限制。作者表明利用 GAMSI 技术，MALDI-MSI 的空间分辨率可以提高约 3-6 倍，达到亚微米级，且无需改变现有的质谱硬件或分析管道。这种方法将显著拓宽 MSI 在细胞尺度空间分析中的应用场景。
前人研究中证明水凝胶对于生物分子的亲和性可应用于成像分析。作者发现基于水凝胶特性，天然生物分子与水凝胶聚合物网络的相互作用是可逆的，使得它们可以很容易发生解吸和电离以进行质谱分析。基于此，作者开发的凝胶辅助质谱成像 (GAMSI) 技术成功克服了现有质谱仪的空间分辨率限制。具体实验过程如图1所示，样品中天然生物分子与凝胶聚合进入凝胶网络内部，对凝胶均质化膨胀，然后将其固定在样品板上，这使得被限制在凝胶内部的生物分子周围环境等比例放大。然后，通过断裂生物分子与凝胶间的相互作用力以释放分析物，例如光裂解。最后涂上基质并在质谱仪上进行分析。样品-水凝胶复合材料中生物分子和分子探针与水凝胶聚合物链的可逆束缚/释放在图中虚线所示。该方法可使原来的成像区域分为更多子区域，可以高保真的观察到天然生物分子的分子环境。
图 1 凝胶辅助质谱成像示意图（GAMSI）
图 2
图 3 多通道MSI成像
GAMSI 提供的空间分辨率的数倍提高，为使用传统 MALDI-MSI 仪器检测细胞分子特征提供了可能性。通过约4倍的扩增，能够以单细胞分辨率捕获Purkinje细胞中特定脂质的富集（图4a，荧光箭头代表单细胞）。通过减小仪器像素尺寸和增加样品扩增系数，可以进一步提高 GAMSI 的有效空间分辨率。为了证明这一点，作者使用 Bruker timsTOF fleX（“Bruker timsTOF”）对约4倍和约6倍扩增的小鼠小脑进行了脂质 GAMSI（图4b、c）。在之前分析的~4 倍扩大的小鼠小脑切片的基础上，首先将仪器像素大小在 Bruker timsTOF 上从 20 µm 减小到 5 µm（图4b）。作者发现，通过调整成像条件（例如，每像素的激光发射次数），有效像素尺寸从~5 µm 减小到~1.3 µm可获得相当高的每像素信号计数。接下来，作者将样品膨胀倍数从约 4 倍增加到约 6 倍，同时保持仪器像素大小恒定为 5 µm。结果证实，在 Bruker timsTOF 上成像的约 6 倍膨胀样品复制了在 Bruker rapifleX 上 成像的约 4 倍膨胀样品的主要脂质峰（在负离子模式下在500-1000 m/z范围内）。在调整成像参数后，令约6倍膨胀样品的信号计数保持足够高，才能够在亚微米有效像素尺寸（约 880 nm）下实现完整组织中的脂质 GAMSI（图4c）。通过GAMSI的高空间分辨率，可以识别小脑白质中的神经胶质细胞和神经元细胞核（直径约为 4-6 µm）。综合结果表明，GAMSI 确实可以通过减小仪器像素尺寸或增加样本扩展因子来实现更高的空间分辨率。
图 4
综上作者利用分析物和高吸水性水凝胶之间的可逆相互作用，并建立了一种名为 GAMSI 的样品制备和成像方法。借助 GAMSI，我们表明脂质和蛋白质 MALDI-MSI 的空间分辨率可以提高约 3-6 倍，而无需修改硬件或数据分析流程。
编辑：苗腾元
审核：黄志辉
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