突破瓶颈：原位衍生化+MALDI-MSI“组合拳”揭示小鼠肠道SCFAs的空间分布
为什么“看见”短链脂肪酸如此困难？
短链脂肪酸（SCFAs）也称挥发性脂肪酸，由肠道菌群代谢产生，是调控宿主免疫、代谢与肠道稳态的关键信号分子。然而，SCFAs的强挥发性和低电离效率使其检测困难。传统真空离子源质谱难以捕捉，即使采用大气压MALDI-MSI，也因缺乏合适基质而无法直接成像。
近日，岛津与神户大学研究团队联合在Frontiers in Cellular and Infection Microbiology发表创新研究成果：采用组织原位衍生化（OCTD）+ MALDI-MSI的“组合拳”，成功实现小鼠消化道中挥发性短链脂肪酸的高灵敏度原位可视化分析，为肠道菌群—代谢物互作研究提供全新技术方案。
OCTD‑MALDI‑MSI 全流程解决方案
面对上述挑战，研究团队开发了一套从样品前处理到成像分析的全流程方案（图1）。
图1 OCTD-MALDI质谱成像检测SCFAs工作流程
其核心分析策略如下：
1 防挥发预处理：冷冻切片制备后进行冷冻干燥（-20℃），并置于内置硅胶干燥剂的密封管内保存（-80℃），使用时在管内回温至室温，避免表面结露和真空干燥，最大程度保留组织内源性SCFAs。
2 组织原位衍生化（OCTD）：借助岛津 iMLayer AERO 自动基质喷涂仪，将衍生化试剂均匀喷洒到组织切片上。TMPA 试剂与缩合剂 HATU 将组织切片上的羧基原位转化为稳定的季铵盐衍生物（图2），衍生化后，从而显著降低 SCFAs 挥发性，提升正离子模式检测灵敏度。
图2 TMPA 偶联羧酸的合成反应
3 升华法基质涂敷：传统湿法喷涂基质（如1,5-DAN溶液）会与残留衍生试剂发生副反应，产生干扰峰。采用岛津iMLayer基质升华仪实现CHCA基质的无溶剂沉积，完全避免副产物生成，获得无干扰的质谱图（图3）。
图3 不同基质涂敷方式质谱图对比
成果速览：SCFAs只出现在细菌“聚集地”
01 空间分布：小肠 vs 盲肠拥有截然不同的代谢图谱
通过MALDI‑MSI与HE染色的空间叠加分析，首次清晰揭示小鼠消化道 SCFAs 空间分布规律：
在小鼠盲肠组织中（图4），丙酸/丁酸信号极强，且精准对应HE染色深染区（细菌密集区），说明SCFAs由局部肠道菌群产生，揭示SCFAs的分布具有高度微环境异质性，而非均匀分布。乳酸-TMPA 的分布对应于构成肠壁的平滑肌，是宿主糖酵解的代谢产物。
图4 小鼠盲肠中经TMPA衍生后目标化合物质谱成像图（比例尺0.5mm，空间分辨率50μm）
在小肠切片中（图5），丙酸、丁酸几乎检测不到——符合小肠细菌稀少、产SCFAs厌氧菌缺失的生理事实，该阴性结果验证了方法的特异性。乳酸信号集中在平滑肌层，棕榈酸富集于肠腔食物残渣（膳食来源）中，胆固醇定位于绒毛上皮细胞。
图5 小鼠小肠中经TMPA衍生后目标化合物质谱成像图（比例尺0.5mm，空间分辨率25μm）
02 生物学验证：微生物鉴定确定SCFAs来源
为确证MALDI-MSI中SCFAs的微生物来源，从相同饲养环境的小鼠盲肠内容物中取样，进行厌氧培养，并使用岛津MALDI-8030 EasyCare分析细菌核糖体蛋白指纹图谱，与数据库比对，共鉴定出三种优势菌（表1）。三种菌均已知可代谢膳食纤维并产生SCFAs，该结果与MALDI‑MSI中盲肠SCFAs强信号、小肠无信号的观察完全一致，形成完整的科学闭环。
表1 基于 MALDI‑TOF 质谱的小鼠盲肠厌氧菌株鉴定结果
展望
本研究攻克了SCFAs挥发性强、难以直接成像的技术瓶颈，建立了可靠的MALDI‑MSI工作流程，为其他挥发性小分子的原位可视化提供了新思路。首次在组织水平直接证明了丙酸和丁酸由局部肠道菌群产生，为肠道微生物代谢功能研究开辟了“可视化”新路径。未来，将MALDI‑MSI与荧光原位杂交（FISH）技术联用，可在同一组织切片上同时定位特定细菌及其代谢产物，为肠道微生物与宿主互作深入研究打开全新维度。
注：本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。
文中所涉方案及产品仅限研究用途，不得用于医疗诊断。
参考文献
Nakagawa K, Okamoto M, Nishida M, Terashima K, Kobayashi M, Teramoto K and Kubo A (2025) On-tissue derivatization for mass spectrometry imaging reveals the distribution of short chain fatty acids in murine digestive tract. Front. Cell. Infect. Microbiol. 15：1584487. Doi: 10.3389/fcimb.2025.1584487