时间分辨空燃比分布

p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em " 在药物研发过程中，候选化合物的体内药代动力学分析是非常关键的步骤。该分析不仅可以掌握其药效药理，还可以得到和毒性评价有关的信息。通常，使用放射性自显影技术(Autoradiography: ARG)和荧光色素标记细胞的方法进行分析。但是，使用ARG的方法成本高，而且一方面这些方法无法区别原药和代谢物，另一方面标记物质的行为可能与未标记物存在差异。因此，最近成像质谱分析法，不进行标记即可对候选化合物进行检测的方法备受瞩目。质谱成像法除了能够在无标记的情况下对各种物质的分布进行分析，还能够使用同一切片同时分析原药及其代谢物，有望在今后的药物研发领域得到应用，取得新的突破。本文介绍使用成像质谱显微镜iMScope i TRIO /i 对氯喹给药后大鼠视网膜进行检测的示例。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/c4265e4a-c078-4017-93d2-68a9d4eafbd5.jpg" title=" 1.png" alt=" 1.png" / /p p style=" text-align: center " 图1 氯喹的结构式 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em " strong 大鼠视网膜中氯喹的高空间分辨率成像 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em " 在本次分析中，对给予抗疟剂药物氯喹的大鼠视网膜进行分析。图1为氯喹的结构式。使用氯喹标准品进行分析，对基质及测定模式进行优化，表1为组织切片的分析条件。使用成像质谱显微镜iMScope i TRIO /i 进行高空间分辨率成像，发现在约10 μm厚的视网膜色素上皮周围有氯喹的分布(图2和图3)。在测定氯喹时，如果使用成像质谱分析法常用的MS模式，因受到生物体衍生杂质带来的离子抑制、干扰的影响，无法得到清晰的MS图像(此处数据省略)。在本次分析中，通过iMScope i TRIO /i 的MS/MS模式进行测定，提高灵敏度，能够获得10 μm的高空间分辨率下的MS/MS图像。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/b1a9ec68-3837-45b5-a422-9f98ed4422b0.jpg" title=" 4.png" alt=" 4.png" / /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/8fad9a5c-304b-4f86-b070-8ec12bb1a38d.jpg" title=" 2.png" alt=" 2.png" / /p p style=" text-align: center " 图2 组织切片上的MS/MS质谱图 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/4ba84009-2ef8-4ef5-92af-f47ac86ebdb9.jpg" title=" 3.png" alt=" 3.png" / /p p style=" text-align: center " 图3 光学图像和MS/MS质谱图像 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em " strong 大鼠眼球中氯喹的高速成像 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em " 在药代动力学研究过程中，为了阐明药物分子在细胞及器官水平的特征分布区域，分别需要在高空间分辨率及中等空间分辨率获得药物分子的分布信息。本实验使用MS/MS span style=" text-indent: 2em " 模式测定在中等分辨率(50 μm)下测定大鼠眼球整体的氯喹分布情况，分析条件如表2 所示。虽然使用了更大的激光直径，有可能带来存在噪音高、离子抑制等问题，iMScope /span i style=" text-indent: 2em " TRIO /i span style=" text-indent: 2em " 依然能够检测得到具有较高信噪比的氯喹特征碎片，并获得清晰的质谱图像。成像质谱实验的采集 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em " 速度取决于目标检测区域中所包含的点数。iMScope i TRIO /i 能够独立更改激光直径及采集间隔等参数，从而能够轻松控制采集速度及图像尺寸，并且不会影响数据质量。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/12e37b19-cce0-4e12-a91f-8af4b67f0802.jpg" title=" 5.png" alt=" 5.png" / /p p style=" text-indent: 2em " strong span style=" text-align: justify text-indent: 2em " 基质涂敷方式的比较 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em " 在氯喹成像质谱分析中，比较了2 种不同的MALDI 基质涂敷方式。 图5 显示了由升华法获得的成像结果(基质升华方式的示意图如图6 所示)。基质升华由iMLayer 升华仪自动完成，而喷雾方式由手动完成。喷雾方式获得成像结果如图7 所示。对比两种方式的检测结果，升华法获得了更加清晰尖锐的氯喹分布图像，而喷雾的结果则看起来会有一些扩散，如图7 所示。前处理方式的优化依然取决于组织切片的特性以及所使用的基质类型。如示例中的结果，前处理步骤对最终成像结果的图像质量有显著的影响，不仅仅是切片制备的条件，基质涂敷的过程也很重要。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/3e80c956-c24a-4b4f-b277-ff7fa0b9a5ad.jpg" title=" 6.png" alt=" 6.png" / /p p style=" text-align: center " 图6 基质升华方式示意图 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em " strong 在相同切片上进行MS 和MS/MS 成像分析 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em " 成像质谱分析中，在同样位置只能采集一次数据。但是，使用iMScope i TRIO /i 可以调整激光直径及采集间隔，因此可以在采集点之间留下未采集区域，从而实现更多次的成像分析。图8显示了使用激光直径为5μm，采集间隔为10μm时，在同一采集区域内进行4次成像分析的方式。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/7029ec9e-44bf-483d-a071-a1651cfc8ffb.jpg" title=" 7.png" alt=" 7.png" / /p p style=" text-align: center " 图4 组织切片上氯喹的MS/MS产物离子质谱图，激光直径50μm /p p style=" text-align: center" img style=" " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/b8099d01-93e1-49aa-9926-907aeab7a6d9.jpg" title=" 8.png" / /p p style=" text-align: center " 图5 升华法获得的氯喹分布质谱图像 /p p style=" text-align: center" img style=" " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/c8b163cf-961b-4c26-8d20-902c68beed0f.jpg" title=" 9.png" / /p p style=" text-align: center " 图7 喷雾法获得的氯喹分布质谱图像 /p p style=" text-align: center" img style=" " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/d51c038b-8e0c-4efa-8ecf-87c964a43b83.jpg" title=" 10.png" / /p p style=" text-align: center " 图8 在同一测定区域进行1次MS分析及3次MS/MS分析的数据采集设置方式示例 /p p br/ /p

大家好，本周为大家分享一篇发表在Analytical Chemistry上的文章，Microfluidic Platform for Time-Resolved Characterization of Protein Higher-Order Structures and Dynamics Using Top-Down Mass Spectrometry [1]，文章的通讯作者是北京大学生物医学前沿创新中心的王冠博教授和中国科学院深圳先进技术研究院的门涌帆副研究员。　　蛋白质的高阶结构和动力学特性对理解蛋白质的生物学功能和揭示其潜在机制至关重要。自顶向下质谱法(Top-down MS)在完整蛋白水平和肽段碎片水平都能获得结构信息。非变性Top-down MS可以分析蛋白质复合体的结构以及完成亚基鉴定和修饰分析。自顶向下氢/氘交换质谱(Top-down HDX MS)为构象或结合界面分析提供了高空间分辨率，并实现了构象特异性表征。微流控芯片可以为这些质谱工作流程的前端反应提供优越的平台。然而，目前大多数质谱微芯片装置是为Bottom-up或Top-down蛋白质组学设计的。本文中，作者提出了一种用于蛋白质高阶结构和动态Top-down MS分析的芯片设计策略。它适用于时间分辨的非变性质谱和HDX质谱，该设计旨在有效电离完整的蛋白质复合物，灵活控制多种反应物流动，并在较大的流速范围内精确控制反应时间在亚微升/分钟。本文通过对单克隆抗体、抗体-抗原复合物和共存蛋白构象等体系的分析来验证该装置的性能。　　TDK-MS(Top-down and kinetic MS)芯片的结构如图1A所示，该方法可以有效电离完整的蛋白质，包括单克隆抗体(mAb)和抗体-抗原复合物(图1 B, C)。　　图1. 完整蛋白质和蛋白质复合体在非变性条件下的高效电离　　虽然分析蛋白质组合化学计量学和监测构象变化需要保持蛋白质高阶结构和非共价相互作用的完整性，然而为了推导结构信息或在串联MS中展开蛋白质以提高碎裂效率，往往需要不同程度的变性来产生亚复合体，因此变性剂的浓度和变性的时间对变性程度至关重要。本文中，作者采用交错人字微结构(Herringbone microstructure, HM)(图2A, B)，并对其性能进行了评估(图2C−E)。如此高的混合效率为进一步微型化芯片混合模块提供了可能。在监测Mb的变性时，作者使用TDK-MS芯片和商用混合三通管平行混合holo-Mb溶液(5 μM)与乙腈(ACN)，并比较它们在混合比例变化时的响应(图2F)。TDK-MS芯片在非变性和变性条件之间切换的快速响应通过NIST mAb的变性得到了证明，在向NIST mAb溶液中添加甲酸后，响应时间小于5分钟(图2G)。　　图2. 高效混合和快速响应的流体控制　　微芯片的灵活通道设计允许引入独立控制的溶液。例如，尽管酸和有机溶剂都能诱导变性，但这两种变性剂同时存在时，对变性途径的影响是不同的。Mb和Hb是血红素蛋白，其中血红素基团分别非共价连接在1条多肽链和4条非共价组装链上，因此这是研究共存复合体解离动力学和亚基构象变化的理想模型。将5 μM holo蛋白溶液与ACN和FA按一定的混合比例依次混合，可以通过解离产物的出现和蛋白质离子电荷态分布的变化来表征复杂的解离和蛋白质的展开。在固定ACN浓度下，随着FA浓度从0.01增加到0.3% (v/v)，依次观察到的主要现象是血红素丢失、apo-Mb展开以及折叠的holo-Mb转化为展开的apo-Mb(图3A)。相比之下，在FA浓度恒定的情况下，当ACN从1增加到50%时，Mb主要表现为血红素损失，只有中等程度的apo-Mb展开，这可能是由于展开的部分迅速聚集(图3B)。　　图3. (A)增加FA浓度，固定ACN浓度和(B)增加ACN浓度，固定FA浓度时获得的Mb和Hb的质谱图。　　在HDX MS检测中，TDK-MS芯片提供了快速和有效的氘代及淬灭，精确控制HDX反应时间，并在2H-标记形式下高效电离完整蛋白质(图4)。　　图4. 2H标记完整的(A)Mb、(B)Hb α亚基和(C)Hb β亚基在不同反应时间下的HDX质谱图　　由于过大的流速不利于电离效率，并且有可能会增加堵塞或流动中断的风险，因此流速应保持在最佳范围内，这又限制了混合通道中HDX时间的可调节范围，从而影响了HDX动力学分析的灵活性。为了解决这一问题，作者设计了一个具有多个不同长度反应通道的混合模块，在不更换芯片的情况下，除了改变流速外，还可以通过通道切换在更大范围内调整反应时间。在原型芯片中，5个不同长度的通道可以在对蛋白质电离和流动稳定性都最优的流速下，产生从几秒到几分钟不等有效的HDX时间(图5)。　　图5. Top-Down HDX MS 分析　　本文中作者开发的策略将有利于生物大分子结构的精细分析，并有助于质谱微芯片的方法开发。

美国丹佛2011年6月5日，布鲁克在美国丹佛市科罗拉多会议中心召开的ASMS 2011上，成功推出了maXis impact超高分辨飞行时间质谱仪。该系统是布鲁克maXis(TM) UHR Qq-TOF技术平台的一个重要的新拓展。 maXis impac™ 超高分辨飞行时间质谱仪 　　到目前为止，质谱技术在应用中常常面临着在定性能力和定量能力之间做出选择的困境，通常，一台仪器被用作定性分析时，其定量能力就不会太高。布鲁克此次推出的maXis impact™ 采用最新技术实现了在一台质谱仪中同时保持高水平的定性定量分析能力，是一台具有超高灵敏度和超高分辨率同时实现的高分辨飞行时间质谱仪。 　　maXis，这一创新性的超高分辨技术由Bruker公司合作者——赫尔辛基大学法医学部首创，已成功应用于法医、兴奋剂药物、食品安全等领域，同时在2009年，该技术被录入SANCO杀虫剂分析指导原则中。2011年3月，布鲁克推出了maXis 4G质谱系统。全灵敏度高分辨质谱仪maXis 4G，进一步提升了maXis系列质谱的性能水准。无论是MS还是MS/MS，maXis 4G的质量准确度和分辨率都有了显著提高，伴随着无与伦比的灵敏度和速度，在分析和鉴定小分子化合物、蛋白质和完整大分子(如抗体)等应用领域，具有前所未有的可信度。 　　而此次推出的新型maXis impact系统，凭借超高的性价比为科学研究、质量控制和实验室分析提供了前所未有的工作能力。maXis impact系统每秒可采集50张全谱图，分辨率达40,000 ，质量准确度达1 ppm。maXis impact系统适用于大样品量的实验室中，这些实验室已经配备了UHPLC分离系统以提高样品分析量。该系统即使在分析低质量碎片离子时也能保持高灵敏度。在痕量物质定量分析中，maXis impact可与传统的三重四极杆相匹敌，同时能够在UHPLC的分离速度下，保持超高的分辨率和得到精确的质量分布。 　　Bruker公司蛋白质组学主任Arnd Ingendoh博士表示：“maXis impact的高灵敏MS/MS分析能力使得自上而下的蛋白质组学分析更加便捷。用户可以利用maXis技术，以及我们提供的MALDI-TOF/TOF系统、新型糖组学工具、MALDI成像技术和用于PTM分析的ETD技术，发掘更深层次的蛋白质组学信息”。 　　maXis技术详解：采用多项领先技术的maXis系列质谱打破了长达20年的，增加TOF飞行路径就会牺牲灵敏度的说法。maXis系列质谱采用专利的in-flight离子光学系统，在离子飞行过程中也可对离子进行聚焦，解决了长飞行路径中因多次反射或者离子束切片造成的灵敏度显著下降的问题。其他高端Qq-TOF质谱仪也许具有高分辨率，但往往以损失灵敏度为代价 而使用旧的检测器获取高分析速度的做法，需要信号丢失仪器来人工“修复”动态范围，这便影响了复杂混合物中的物质分析。 　　关于Bruker Daltonic Inc. 　　美国布鲁克• 道尔顿公司(Bruker Daltonic Inc.)是世界著名的跨国分析仪器公司，以研发和制造广泛应用于医药、生物化学和化学等研究领域里的质谱仪和相关产品而领先于业界。欲了解更多信息，请登录www.bruker.com。