质谱成像（MSI）：天然产物药物研发新视角

2022年10月，中国科学院上海药物研究所果德安/吴婉莹课题组在 Acta Pharmacologica Sinica（APS） 上发表了题为“Mass spectrometry imaging: new eyes on natural products for drug research and development”的综述文章，中国科学院上海药物研究所侯晋军高级工程师为该文章的第一作者。文章从药物研发角度总结了质谱成像技术在天然产物体外和体内异质性分布研究中的应用，希望 MSI 技术能在天然药物新药开发方面提供突破，并对质谱成像技术在新药研发方面的未来发展进行了展望。

图1. 质谱成像通过可视化药用植物和体内的分子空间异质空间分布促进NPs的发现及其临床前研究。

NPs 主要源自药用植物和微生物的次级代谢产物，以及某些初级代谢产物。在药用植物中，NPs 的分布通常表现出异质性。MSI 技术以其直观性，能够无标记地揭示药用植物中初级和次级代谢物的空间分布，为新药开发中 NPs 的发现提供了重要视角。以下是 MSI 技术在药用植物中发现 NPs 的三个主要应用方面的详细讨论：

① NPs 的产生受其生物合成途径和植物与环境相互作用的影响。

② MSI 技术通过探索这两个方面，有助于发现增加特定 NPs 生物合成和生产的方法。

① 传统的液相色谱-质谱（LC-MS）技术可能无法检测到某些 NPs，特别是那些在样品制备过程中被高丰度化合物掩盖或发生变化的化合物。

② MSI 技术通过原位分析组织切片样本，能够检测到这些天然成分的自然富集，从而有可能发现新的成分。

图2. 质谱成像在药用植物/微生物天然产物发现中的应用。

在获得具有生物活性的 NPs 之后，MSI 技术可以在临床前研究中发挥重要作用，主要体现在以下三个方面：

① MSI 技术能够提供化合物在体内的直接空间分布，有助于直观分析 NPs 的空间异质性及其 ADME 特性。

② 可以建立 NPs 与内源性药效生物标志物之间的空间关联性，为理解药物作用机制提供新视角。

③ MSI 的无标记特性使其能够直接反映药物在体内的实际分布，包括皮肤和肠道吸收过程，以及多个代谢物的空间分布信息。

① MSI 技术可以直观展示化学修饰、制剂优化或纳米材料选择后药物的靶向分布，为药物开发提供直接证据。

② 金属纳米材料在药物制剂中的重要性日益增加，MSI 技术能够利用其自身特性，监测并分析其在体内的空间分布。

图4. 质谱成像在药物疗效和毒性分析的准确性、可预测性以及化学修饰和剂型设计中的应用。

MSI 技术作为一种强大的可视化分析工具，因其能够无标记地展示组织空间中上千分子的分布，对 NPs 的研究及其在疾病干预中的应用具有独特价值。随着 MSI 技术的不断进步，为了获得高质量的 MSI 研究结果，研究者需要考虑以下关键因素：

① 研究模式的选择：MSI 研究可分为发现驱动模式和验证驱动模式。发现驱动模式侧重于提出新的科学假设，而验证驱动模式则侧重于直接展示目标分析物的空间分布。研究者应根据研究目标选择适当的模式，并理解不同样本制备、离子源和质谱仪器可能对结果产生的影响。

② 样本制备的重要性：样本制备是 MSI 中至关重要的步骤，包括选择合适的样本组织类型、组织切片的获取方法、切片处理方法、衍生化方法（如果需要），以及基质的选择和应用。

③ 组织切片的获取：不同类型的样本（如植物、动物和临床样本）需要特定的切片方法。例如，植物样本可能使用印迹方法，而动物和临床样本则使用冷冻切片。

④ 切片处理方法：包括通过预处理改变组织表面的成分，以增强或改变组织表面的成分，以及引入内标以提高质量校准或定量的准确性。

⑤ 样本衍生化：衍生化可以增强难以电离化合物的电离效率，并帮助区分具有 C=C 双键位置的脂质异构体。

⑥ 基质选择和喷雾策略：对于需要基质辅助的离子源，如 MALDI，需要在切片表面引入特定的有机酸作为基质。

⑦ 离子源的选择：离子源的选择应基于研究的假设和目的，包括激光基、液体基和离子簇基离子源。

⑧ 质谱仪器的影响：不同的质谱仪器在质量分析范围、灵敏度和质量分辨率方面存在差异，选择合适的仪器对 MSI 分析至关重要。

⑨ 离子迁移的应用：离子迁移分析可以提供额外的分离维度，有助于区分具有相同 m/z 值的异构体，并提高低丰度离子的鉴定效率。

⑩ 平衡空间分辨率、质量分辨率、灵敏度和数据采集时间：研究者需要根据不同的分析目的，合理选择空间分辨率，以平衡质谱分辨率、灵敏度和数据采集时间。

总结来说，作者强调了在 MSI 研究中，从研究模式的选择、样本的制备和处理、离子源和质谱仪器的选择，到数据分析的策略，每一个步骤都需要仔细考虑和优化，以确保研究结果的质量和可靠性。

文献地址：

https://www.nature.com/articles/s41401-022-00990-8