基于质谱成像技术对芦笋的可视化分析

摘 要:

随着近年来人们对功能性食品的关注度越来越高，芦笋被认为是对抗高血压比较有效的一种食物。芦笋中所含的Asparaptine是抗高血压的有效成分，但是目前还没有其在芦笋内的分布信息的相关研究。我们利用基质辅助激光解吸质谱成像（MALDIMSI）技术阐释了Asparaptine 在芦笋内的分布情况。

1. 背景介绍

已有研究表明芦笋粗提取物有降低血压的功效。长期以来芦笋的降压功效一直被认为是来源于其中所含有的某些含氮化合物，但近些年来，一些研究认为，芦笋的降压功效应该来源于其中的某些含硫化合物而非含氮化合物。

在这种背景下，2015年的一项研究发现了一种由精氨酸和芦笋酸组成的新物质——Asparaptine1)。这项研究提出，Asparaptine的降血压功效来源于其对血管紧张素转化酶（ACE）的抑制作用。Asparaptine的发现使芦笋作为功能性食品更受欢迎，因而对其也需要进行更加详细的研究。作为研究此物质的一种方法，我们尝试阐释芦笋中Asparaptine的定位信息。近些年来，MALDI-MSI作为一种可直接用肉眼观察到各化合物定位信息的方法而备受关注。这种方法可以通过单次分析实现对大量分子信息的成像，并且由于其具有可区分靶向目标和代谢物的能力，目前已经被广泛应用于诸如神经递质可视化2)和药代动力学成像3)的研究中。此外，除了在医药领域，MALDI-MSI技术也已经被应用于食品领域，涉及食品样品的范围非常广泛，从作为日本的主要粮食的大米4)，到土豆5)和草莓6)。提供“可视化”信息，比如功能性化合物的分布信息，可以从增加食品附加值的角度来吸引消费者。

图1展示了MALDI-MSI的标准操作流程。使用冷冻切片机将冷冻样品切成厚度在10 μm至30 μm之间的切片。将冷冻切片放置在导电板上，例如涂有氧化铟锡(ITO)的载玻片。之后将作为辅助电离试剂的基质涂敷于样品表面，然后进行质谱分析。在MALDI-MSI过程中，我们可以确定被测区域和测量点之间的距离，得到每个测量点的质谱和位置信息。通过选择目标分子在每个测量点的质谱中的质荷比，我们可以从每个测量点的强度数值得到目标分子在样品中的分布信息。在本研究中，我们按照上述流程进行实验，以明确Asparaptine的定位信息。

图1 MALDI-MSI的实验流程

2. 实验部分

2.1 样品及样品冷冻方法

将芦笋按照尖部、中部和下端切成三份，使用切片机（CM1950）将三部分分别制成20μm厚度的切片。芦笋的侧面有三角形的叶片，称为鳞片，其作用是保护枝杆(图2A)。在这项研究中，对这四个部位均进行了成像。目标成分是之前已经描述过的Asparaptine。在MALD-MSI中，样品的冷冻是影响成像结果的一个重要过程。在本研究中，我们将对液氮冷冻法和真空密封袋冷冻法两种方式进行比较(图2B)。前一种冷冻方法是将芦笋包裹在铝箔中，放入液氮中冷冻。后一种方法是将芦笋放入真空袋中，将袋中抽成真空，然后在-80°C的冰箱中慢慢冷冻。为了比较这两种方法，我们使用甲苯胺蓝染色对组织切片进行检查。

2.2 基质喷涂

我们通过喷涂的方式将α-氰基-4-羟基肉桂酸(CHCA)加载于样品表面，基质溶液是10mg/mL的浓度(30%乙腈，10% 2-丙醇，0.1%甲酸)进行配制的。使用喷笔（PS-270）将400 μL基质溶液喷涂于样品切片表面，喷枪的尖端与组织表面之间的距离保持在10 cm。

2.3 MSI分析条件

我们使用iMScope TRIO™(图3)来进行MALDI-MSI分析。配置355nm Nd:YAG激光光源，激光频率1000 Hz，每点激光照射次数100，每个像素点累积次数为1次。激光光斑直径为25μm，强度为47，样品电压和检测器电压分别设为3.5 kV和2.1 kV。采集模式为正离子模式，采集范围m/z 100-350, 并以Asparaptine的质子加和产物m/z 307.09作为前体离子进行二级质谱分析。

3. 结果与讨论

3.1 样品冷冻方法比较

将通过液氮冷冻和真空密封袋冷冻两种方式进行冷冻的样品切成20 μm 厚的切片，并将切片用甲苯胺蓝染色，然后使用光学显微镜进行检查（图4）。如图4A 中所示，使用真空袋冷冻的样品制备切片有可能不损害样品形态。另一方面，样品经液氮冷冻后，由于在冷冻过程中会产生裂纹，使得样品切片难以保持其形貌。样品冷冻在真空密封袋里，也同样可以保持组织细胞的形态，而用液氮冷冻的组织细胞会被破坏，可观察到很多包含裂缝的部分（图4B）。真空密封袋冷冻的样品之所以能够保持细胞组织形态，其重要原因是高压冷冻法原理发挥了作用7)。通常情况下，当水结成冰时细胞内就会形成冰晶8)。然而，在高压冻结方法中，通过在冻结过程中对样品施加高压(一般在2000 atm 左右)，水的熔点会降低，粘度会增加，所以通过这种方法可以抑制导致细胞组织破坏的冰晶的形成。在本实验中，虽然没有施加2000 atm 的压力，但样品可能在外力的作用下，产生了不同于常压下冻结状态的现象。另一方面，在使用液氮冷冻时，样品本身可能会由于水的膨胀而产生了裂纹。同时，由于样品在液体中沸腾，在样品周围形成一层氮气层。一旦这种现象发生，冷冻效率将被极大降低。此外当使用高压冷冻方法时，水以非晶形态冻结的深度是5 到20 μm，而以液态氮冷冻时,这个深度可达5 到200 μm9）。这种现象在诸如芦笋这样的体积较大且含有大量水分的样本中尤为明显。根据上述原理，真空密封袋冷冻是一种又好又简单的方法，它可以在冷冻植物样品时保持样品组织的形态。

3.2 Asparaptine 定位信息的可视化分析

在本实验中，首先通过成像质谱来进行Asparaptine定位信息的可视化分析。如图5A所示，代表Asparaptine的m/z 307.09的质谱峰被检测到。然后通过在离子阱中的一级质谱筛选出m/z 307.09的碎片，再通过飞行时间质谱分析二级碎片离子信息，从而确认是否m/z 307.09的碎片来源于靶向物质。图5B所示的质谱图是由二级质谱获得的，我们成功检测到来自一级前体离子m/z 307.09的碎片离子m/z 248.05。由于m/z 248.05是Asparaptine结构可以产生的碎片离子，因此m/z 307.09被认为是Asparaptine的质谱峰。因此，采用m/z 248.05碎片离子对Asparaptine进行成像，结果如图6所示。分析结果表明，Asparaptine的分布方式是从中心向外扩展，从下端向尖端扩展。同时在鳞片和维管束周围分布有大量的Asparaptine。通过借助MALDIMSI技术，我们成功实现了对一种此前尚不明晰其分布的物质的详细定位信息的分析和确认。

4. 结 论

在本研究中，我们首次使用iMScope TRIO 对芦笋中的Asparaptine 进行了定位分析。我们还发现冷冻法在植物样品分析中具有重要的意义。通过借助MALDI-MSI 这种有力手段，我们可以通过可视化的定位信息来获得全新的发现，甚至对于那些合成机理和功能尚未明晰的物质也是如此。今后，把MALDI-MSI 应用于植物和食品样品将有助于我们明确样品中成分的定位信息，并有望在功能性食品的高效开发、目标物质合成机理的阐释等方面得到更多应用。

5. 参考文献

1) R. Nakabayashi et al., J. Nat. Prod., 78, 1179 (2015)

2) Enomoto Y. et al., Anal. Sci., 34(9), 1055 (2018)

3) Ohtsu S. et al., Anal. Sci., 34(9), 991 (2018)

4) N. Zaima et al., Rapid Commun. Mass Spectrom., 24, 2723 (2010)

5) S. Taira et al., Int. J. Biotechnol. Wellness Industry, 1, 61 (2012)

6) Anna C. Crecelius et al., J. Agric. Food Chem., 65, 3359 (2017)

7) H. Moor, U. Riehle, Proc. 4th Eur. Reg. Conf. Electron Microsc., 33 (1968)

8) H. Moor, Cryotechniques in Biological Electron Microscopy, 175 (1987)

9) Y. Ito, Plant Morphology, 25, 35 (2013)