【质谱成像讲堂】火眼金睛「iMScope QT」精准定位药物空间组织分布
导读
近年来，多种新型药物相继出现，并被广泛地应用于医疗领域。为了更加深入和详细地获得各种药物的性能和疗效，各种先进的药物分析技术越来越多地应用于药学领域。传统药学研究方法一般通过液相色谱-质谱联用系统来对目标药物进行定量和定性分析，但其对样品的同质化等前处理，丢失了目标药物的空间分布和动态转移信息；而传统的荧光成像，免疫组化成像等分子成像技术，需对目标物进行标记且不能够反映特定部位的化学组成信息。
质谱成像（Mass Spectrometry Imaging，MSI）是一种将质谱技术和影像技术相结合的新型成像分析技术，该技术可获得待测样本选定区域内任意指定质荷比离子(m/z)的可视化分布图像，可以全面、快速地获取目标化合物的相对含量、空间分布与变化等信息。这些优势使 MSI技术在探索药物代谢研究、药代动力学研究、药效学以及毒理学等方面极具应用价值。
岛津成像质谱显微镜iMScope QT样品检测流程简介
岛津新一代成像质谱显微镜iMScope QT（Imaging Mass Microscope），将光学图像与质谱分析获得的分子分布信息结合为一体，实现光学与质谱结合、空间分辨率、灵敏度、分析速度为一体的成像分析。iMScope QT生物样本检测分析流程主要包括：
生物样本采集
样本采集后应迅速固定，最常用的固定方法是通过液氮进行快速冷冻。
组织切片制备
使用冷冻切片机进行组织切片，温度一般控制在-16℃~-26 ℃，切片厚度一般控制在10-30 μm。
光学图像拍摄
将完整切片转移至ITO载玻片后，放入仪器，使用iMScope QT自带的光学显微镜平台进行光学图像的拍摄。
基质涂敷
使用基质涂敷装置在组织切片表面均匀涂敷一层基质。岛津提供2款前处理基质涂敷设备（iMLayer升华法自动涂覆装置和iMLayer AERO自动喷雾装置）用于提高成像分辨率、灵敏度和重复性。
质谱数据采集
将ITO载玻片放入仪器，设置相关采集参数，进行质谱数据采集。
质谱数据分析
使用岛津专业成像数据分析软件Imagereveal MS进行大容量数据分析。
图1. 岛津质谱成像样品检测流程
特色应用案例分享
应用案例1：药物代谢—iMScope QT检测小鼠肾脏中丙咪嗪和氯喹及其代谢物
使用岛津iMScope QT揭示丙咪嗪、氯喹及其代谢物在小鼠不同器官的特异性定位，帮助了解药物的详细代谢、功能和副作用，有助于进一步探究这些药物在小鼠体内的详细药代动力学。
对13周龄的C57BL/6雄性野生型（WT）小鼠进行腹腔注射丙咪嗪和氯喹（30mg/kg），2小时后小鼠颈椎脱位后取主要脏器制备10 μm切片，使用iMScope QT对丙咪嗪和氯喹及其代谢物进行快速成像。小鼠肾脏中成功检测到目标物（图2）。丙咪嗪（Imipramine）及其代谢物地西帕明（Desipramine）、2-羟基丙咪嗪、地二甲基丙咪嗪在小鼠肾脏的皮质和外髓质中显著积累，而2-羟基丙咪嗪葡萄糖醛酸苷（2-hydroxy-imipramine glucuronide）在小鼠肾脏的内髓质和肾盂中大量积累(图2A)。氯喹（Chloroquine）和其代谢物去乙基氯喹（Desethylchloroquine）在小鼠肾脏的内髓质和肾盂中积累较多，而氯喹- M (-N(C2H5)2)在小鼠肾脏的皮质和外髓质中积累较多(图2B)。
图2. 丙咪嗪、氯喹及其代谢物在肾脏中的空间分布
注：本案例由岛津和滨松医科大学合作完成。
应用案例2：药物毒性研究—紫杉醇(PTX)和 PTX聚合物胶束纳米粒（NK105）对外周神经毒性可视化分析
紫杉醇（PTX）是一种天然抗癌药物，而NK105是包载紫杉醇的聚合物胶束纳米粒。将PTX和 NK105分别注射到荷瘤小鼠体内后，取相应的肿瘤切片进行检测，评估PTX和NK105的外周神经毒性。结果显示，给药后30分钟、1小时和24小时后，检测到PTX和NK105在外周神经组织中的分布（图3）。注射PTX后，外周神经的PTX信号值较高。而注射NK105后，神经周围和神经内的PTX信号值较低。另外通过LCMS分析也得到了相同的结果。结果表明，NK105比PTX对外周神经的毒性作用更小，NK105可以对小鼠产生更少的神经毒性。这个案例说明质谱成像技术是一种用于药理评价和药物设计支持的新方法。
图3. PTX和NK105对外周神经毒性的分析
（左：PTX；右：NK105）
注：本案例参考来源《Sci. Rep. 3, 2013,3050;DOI:10.1038/srep03050.》。
应用案例3：靶向药物筛选—一种结肠靶向鬼臼毒素纳米前药的定位释药检测
靶向给药系统，指的是利用载体将药物进行修饰或者包装，使药物或其载体能瞄准病灶或者特定部位，并在目标部位释放有效成分。本案例展示了一种结肠靶向药物鬼臼毒素纳米前药的定位释药检测，利用质谱成像技术，从分子水平展示了口服水凝胶（纳米前药）后结肠定位释药能力。小鼠灌胃纳米前药16 h后处死，取不同器官进行切片。同时灌胃PBS作为对照。用二级碎片离子m/z 397.13进行成像，得到来自前药水凝胶的鬼臼毒素衍生物在不同器官中的分布信息。在结肠和盲肠组织切片中可以清晰地观察到目标离子（图4.a）。而在对照组中，结肠和盲肠组织切片中很少发现信号。同时，在其他器官中，几乎未发现特征性MS信号（图4.b）。质谱成像结果从分子水平上证明了前体药物及其水凝胶形式具有良好的释放鬼臼毒素衍生物的能力。本案例为通过药物组合提高纳米前体药物的治疗效果提供了新的途径，表明质谱成像在靶向药物筛选方向具有良好的应用前景。
图4. 鬼臼毒素纳米前药的定位释药检测（a：结肠和盲肠；b：其他组织）
注：本案例参考来源《Journal of Materials Chemistry B ,2021,9,3200.》。
结语
质谱成像技术无需特异性标记即可对样本表面多类物质进行原位定性、定量分析，其在药学领域正崭露出独特的魅力和优势。与基于同位素标记的放射自显影技术、色谱质谱联用技术相比，MSI技术可以特异性地获得原型药物及其代谢产物在组织器官中、甚至亚细胞水平的药物分布特征，可以直接观察到药物在动物体内的吸收、分布、代谢和排泄等药代动力学过程。展望未来，随着组织样本制备、离子化方法和质谱分析技术、数据处理技术的不断发展，MSI技术的空间分辨率、灵敏度、定量分析能力等都将进一步提升，质谱成像技术将在药物代谢研究、药效毒理评价、药物蛋白质组学探讨、靶向药物筛选及固体制剂评价等方向发挥更多的应用价值。