質(zhì)譜成像（mass spectrometry imaging,MSI）作為一種重要的分子成像技術(shù),通過專用成像分析軟件將質(zhì)譜儀記錄的特定區(qū)域離子化分子的離子強(qiáng)度、質(zhì)荷比和坐標(biāo)等信息轉(zhuǎn)換為像素點(diǎn)模型,重新構(gòu)造出被測化合物的空間離子分布圖像,具有樣品前處理簡單、靈敏度高、無需標(biāo)記等優(yōu)勢。近年來,MSI技術(shù)在醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、植物學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中,MSI技術(shù)在藥用植物研究中的應(yīng)用為明確藥理機(jī)制、提高療效、跟蹤毒性成分分布等提供了新的技術(shù)思路,為藥用植物的深度開發(fā)利用做了重要貢獻(xiàn)。該文綜述了近幾年來MSI技術(shù)在藥用植物鑒定、代謝物分布、有效成分合成途徑、藥用安全性及植物防御等方面的研究成果,討論了不同研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)。最后,簡要指出了MSI技術(shù)在藥用植物研究中的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用時存在的障礙,并對MSI技術(shù)和藥用植物研究未來發(fā)展前景進(jìn)行了展望。 

【文章來源】：中國中藥雜志. 2020,45(05)北大核心

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一種改進(jìn)的光束傳輸光學(xué)原理圖[25]

質(zhì)譜成像技術(shù)在藥用植物代謝產(chǎn)物分布方面的研究不僅有利于各代謝產(chǎn)物動態(tài)積累規(guī)律[16]、合成途徑[17-18]、位置-功能關(guān)系[19]研究,還有助于對藥用植物生理變化反應(yīng)的理解[20]。但是,由于植物組織固有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和細(xì)胞結(jié)構(gòu),制備用于MSI的冷凍切片相當(dāng)困難,對于薄、富水、易碎的葉片樣品來說尤其如此[21]。有研究提出簡單、快速、無需基質(zhì)和低溫恒溫器的印跡取樣技術(shù)可對非平面或不規(guī)則表面進(jìn)行質(zhì)譜成像分析,通過溶劑萃取和(或)提高溫度可以改善由于樣品向表面轉(zhuǎn)移不良而產(chǎn)生的低強(qiáng)度信號[22]。這種方法最主要的缺點(diǎn)是由于細(xì)胞在印跡過程中被壓扁,空間分布不可避免地被破壞。對此,LI B等提出的三元溶劑系統(tǒng)直接DESI-MSI是一種選擇,且該方法比通常用于DESI的二元溶劑系統(tǒng)提供了更高、更穩(wěn)定的軟植物材料信號。這種方法的分辨率只有120 μm,現(xiàn)MALDI-MSI已實(shí)現(xiàn)5～10 μm的高空間分辨率,可在單細(xì)胞分辨率下揭示多細(xì)胞生物體代謝產(chǎn)物。實(shí)現(xiàn)MALDI-MSI高空間分辨率的一個重要限制因素是樣品表面的激光點(diǎn)的大小,通過修改MALDI-LIT-Orbitrap質(zhì)譜儀的激光束傳輸光學(xué)器件(原理見圖2)使其產(chǎn)生的激光光斑尺寸小于5 μm(為獲得足夠的離子信號,分析實(shí)際的激光光斑尺寸約為9 μm),可獲得5 μm空間分辨率。組織制備方法、基質(zhì)應(yīng)用、取樣大小、靈敏度等也影響著MALDI-MSI的空間分辨率和原位分析,近年來已有較多成熟的方法報道,如離子液體基質(zhì)DHB-BuN(2,5-二羥基苯甲酸丁胺)用于MALDI-MS分析寡糖樣品,操作簡便,重復(fù)性和靈敏度優(yōu)于固體基質(zhì),可用于寡糖的MALDI-MS定量和成像分析;基于離子液體基質(zhì)(DHB/DMA)和超聲噴霧基質(zhì)覆蓋的方法可用于中藥和植物中小分子成分的MALDI-MS成像分析,效果良好;新型基質(zhì)1,5-二氨基萘(DAN)在負(fù)模式下分析小分子代謝物和較大脂質(zhì)有良好效果;“膠帶支撐法”比“解凍安裝法”更有益于防止分析物遷移等。LI B等還對MALDI-MSI的3種包埋材料和5種安裝方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和評價,尤其是它們對銀杏葉橫截面中的5種具有不同親油性/親水性的代謝物移位的影響,為葉片組織質(zhì)譜成像的樣品制備提供了方法�？杀籑ALDI電離的化合物類別受所選基質(zhì)的影響很大,研究發(fā)現(xiàn)通過篩選合適納米顆粒用于電離不同代謝物分析的方法,如基于Fe3O4和TiO2納米顆�？捎行щ婋x難以用傳統(tǒng)有機(jī)基質(zhì)分析的二萜類植保素。此外,有研究提出結(jié)合3種質(zhì)譜技術(shù)(LD-ESI,MALDI-MSI和HPLC/ESI-MS)獲取復(fù)雜生物樣品綜合信息的方法、無需任何樣品預(yù)處理的等離子體輔助激光解吸電離質(zhì)譜成像(PALDI-MSI)技術(shù)(原理見圖3)、采用激光燒蝕大氣壓光電離質(zhì)譜成像(LAAPPI-MSI)同時研究植物組織中極性和非極性化合物分布情況的方法、MeV二次離子質(zhì)譜(MeV-SIMS)技術(shù)分析藥用大麻葉的方法[34]、采用激光解吸/電離質(zhì)譜技術(shù)(LDI)結(jié)合納米粒子增強(qiáng)靶同時分析樣品橫截面幾十種代謝產(chǎn)物的簡單方法、快速原位檢測植物木質(zhì)素的簡單方法[36]、豆類植物根系和根瘤中的代謝物成像方法以及開發(fā)低成本低溫等離子體電離質(zhì)譜成像(LTP-MSI)系統(tǒng)的“即插即用”組件用于揮發(fā)性和半揮發(fā)性代謝物成像等。近期,LIU C等開發(fā)了一種解吸電噴霧光電離質(zhì)譜成像技術(shù)(DESI-PI-MSI)用于組織切片中極性和非極性成分同時高靈敏度空間成像。該技術(shù)可提高中性物種的檢測靈敏度,拓寬了DESI在植物組織MSI中可視化非極性生物分子的適用性,可有效替代中等橫向分辨率的MALDI-MSI技術(shù)。這些研究為質(zhì)譜成像更加廣泛地應(yīng)用于藥用植物代謝物分布研究提供了很高的參考價值。目前,MSI技術(shù)在藥用植物代謝產(chǎn)物分布研究中已實(shí)現(xiàn)高通量分析、細(xì)胞水平上單個分子的成像顯示、三維空間分布成像和植株發(fā)育過程代謝產(chǎn)物分布動態(tài)研究,此外,其還可為代謝產(chǎn)物定位的細(xì)胞類型特異性差異提供證據(jù)。上述研究結(jié)果表明,MSI技術(shù)在對藥用植物代謝產(chǎn)物分布進(jìn)行快速無損檢測或高通量高分辨率的原位成像方面具有很大潛力。近年來MSI技術(shù)用于藥用植物代謝產(chǎn)物分布研究的相關(guān)成果總結(jié)見表1。2.2.2 MSI用于藥用植物有效成分在動物體內(nèi)代謝分布研究

圖2 一種改進(jìn)的光束傳輸光學(xué)原理圖[25]表1 MSI在藥用植物代謝產(chǎn)物分布方面的應(yīng)用Table 1 Application of MSI in metabolites distribution of medicinal plants 年份 物種 樣品類型 MSI技術(shù)和空間分辨率 成像分析物 應(yīng)用 文獻(xiàn) 2016 小麥、大麥 種子 MALDI, 50～100 μm 阿拉伯木聚糖、(1→3),(1→4)-β-葡聚糖 研究不同小麥、大麥品種胚乳中阿拉伯木聚糖和(1→3),(1→4)-β-葡聚糖聚合物關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征的選擇性分布 [15] 2015 紅果樫木 種子 DESI, 250 μm×250 μm 羅希吐堿 研究紅果樫木種子發(fā)育過程色酮類生物堿積累的動態(tài)規(guī)律 [16] 2016 Putterlickia pyracantha 葉、莖、根 MALDI, 40 μm 美登素類化合物 研究P. pyracantha中幾種美登素類化合物的空間分布和可能合成途徑 [17] 2016 銀杏 葉 MALDI, 10 μm 山柰酚-O-蕓香糖苷、穗花杉雙黃酮、白果素等 銀杏中黃酮苷和雙黃酮類化合物分布 [18] 2019 草莓 果實(shí) (109AgNPET) LDI, 100 μm×100 μm 醛、酮、醇等32種低相對分子質(zhì)量代謝物 尋找被測化合物生物學(xué)功能與其在果實(shí)橫切面上位置的相關(guān)性 [19] 2017 番茄 果實(shí) MALDI, 50 μm 谷氨酸、腺苷一磷酸、蘋果酸等 研究番茄發(fā)育過程代謝物分布變化及相關(guān)生理變化 [20] 2013 馬鈴薯銀杏草莓 芽葉果實(shí) DESI, 150～200 μm 糖苷生物堿毒素銀杏酸和黃酮類化合物糖和花青素 研究通過不同的印跡條件分析各種不規(guī)則材料或軟材料 [22] 2013 貫葉連翹 葉、花瓣 DESI, 120 μm 金絲桃素、蘆丁、偽金絲桃素等 研究采用三元溶劑系統(tǒng)對植物組織代謝物直接成像 [23] 2017 玉蜀黍 葉 MALDI, 5～10 μm 硫酸甘油糖脂、磷脂酰甘油 研究不同基因型玉米葉片發(fā)育過程硫酸甘油糖脂、磷脂酰甘油的分布 [24] 2015 玉蜀黍 葉 MALDI, 5 μm 磷酸己糖、己糖、硫酸甘油糖脂等 通過MALDI-linear ion trap-Orbitrap質(zhì)譜儀對玉米葉代謝物進(jìn)行亞細(xì)胞水平分辨率MALDI-MS成像 [25] 2017 大豆 種子、葉 MALDI, 150 μm 寡糖 研究大豆和豆葉寡糖分布 [26] 2018 桑 葉 MALDI, 80 μm 原兒茶酸、綠原酸、單糖和二糖等小分子 研究桑葉表面及其葉脈切片中小分子質(zhì)譜成像的樣品制備方法 [27] 2014 玉蜀黍 葉 MALDI, 25 μm 蘋果酸、谷氨酸、磷酸烯醇丙酮酸等 研究用于小分子代謝產(chǎn)物分析與成像的新型基質(zhì) [28] 2017 玉蜀黍 種子 TOF-SIMS 膽堿、磷酸膽堿、棕櫚酸、磷脂酰肌醇 防止分析物移位的玉米種子樣品制備 [29] 2018 銀杏 葉 MALDI, 250 μm×250 μm 二糖、銀杏素和3種黃酮苷類化合物 研究葉片組織質(zhì)譜成像樣品制備方法 [21] 2014 葡萄小麥 果實(shí)種子 MALDI, 20 μm 飛燕草素-葡萄糖苷、磷脂酰膽堿、精氨酸等脫氧雪腐鐮刀菌烯醇 提出一種結(jié)合3種質(zhì)譜方法獲取復(fù)雜生物樣品綜合信息的方法 [31] 2014 黃芩 根 PALDI, 60 μm×60 μm 黃芩素、漢黃芩素等 研究黃芩中有效成分的分布 [32] 2014 鼠尾草 葉 LAAPPI, 約400 μm 單萜、倍半萜、極性萜類衍生物 探索LAAPPI-MSI同時研究植物葉片組織中的極性和非極性化合物分布 [33] 2016 大麻 葉 MeV-SIMS, 10 μm×10 μm 鈉、鉀、大麻素等 MeV-SIMS技術(shù)分析藥用大麻葉 [34] 2017 大黃 莖 (AuNPET)LDI, 40 μm×40 μm 蒽醌衍生物及其糖苷、二苯乙烯類、花青素等 提出不添加基質(zhì)、樣品制備簡單的化合物的空間分布成像方法 [35] 2014 藍(lán)桉、大桉 莖 MALDI 木質(zhì)素 提出快速原位檢測植物木質(zhì)素的簡單方法 [36] 2014 辣椒 果實(shí) LTP, 1 mm 辣椒素 開發(fā)了低成本低溫等離子體電離質(zhì)譜成像(LTP-MSI)系統(tǒng)的“即插即用”組件 [38] 2019 茶 葉、莖 DESI-PI 磷酸膽堿、咖啡因、中性兒茶素等 DESI-PI-MSI適用于植物組織中性代謝產(chǎn)物的成像 [39] 2014 洋甘草 根莖 AP-MALDI, 10 μm 黃酮、皂苷 提供了一種能夠?qū)χ参锝M織中代謝物進(jìn)行高通量分析的方案 [40] 2016 芍藥 根 AP-SMALDI, 10 μm 沒食子單寧、單萜苷、氨基酸等 實(shí)現(xiàn)在細(xì)胞水平上對單個分子的成像顯示 [7] 2017 鼠耳芥 種子 MALDI, 15 μm×15 μm×20 μm 磷脂酰膽堿、磷脂酰肌醇 研究鼠耳芥種子中磷脂酰膽堿、磷脂酰肌醇三維空間分布 [41] 2019 四葉蘿芙木 莖、葉、根、果實(shí) DESI, 250 μm×250 μm 吲哚類生物堿 研究四葉蘿芙木果實(shí)和植株發(fā)育過程中吲哚類生物堿的分布 [42] 2017 草莓 果實(shí) MALDI, 70 μm 糖、有機(jī)酸、黃酮類化合物 研究黃酮類化合物在草莓果實(shí)發(fā)育過程中的變化 [43] 2014 大麥 籽粒 MALDI, 30 μm 低聚果糖 研究大麥籽粒發(fā)育過程中低聚果糖的時空分布規(guī)律 [44] 2014 小麥 籽粒 MALDI, 100 μm 阿拉伯木聚糖、(1→3),(1→4)-β-葡聚糖 研究小麥胚乳發(fā)育過程中細(xì)胞壁多糖結(jié)構(gòu)和空間分布變化 [45] 2015 亞麻 種子 MALDI, 20 μm 亞麻木脂素、亞麻苦苷、百脈根苷等 研究亞麻木脂素等在亞麻發(fā)育過程的積累和分布 [46] 2016 蒺藜苜蓿 根、根瘤 MALDI 數(shù)百個內(nèi)源性肽和蛋白質(zhì)片段 研究不同發(fā)育階段內(nèi)源性肽和蛋白質(zhì)空間分布變化 [47] 2017 雷公藤 根 MALDI 雷公藤紅素、雷公藤次堿、去甲澤拉木醛等 研究雷公藤根特殊代謝產(chǎn)物鑒定與定位 [48]


本文編號：2973908