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氨基酸、核苷及脂类等代谢物是构成生物体的重要成分,其共同参与了细胞的代谢调节、信号传导和免疫预防等多种生物学过程,能够有效反映细胞的功能状态。原位分析组织中多种代谢物水平的变化对研究生物体生理和病理状态具有重要指导意义,但是由于脂质等代谢物种类多样、结构复杂并且易受到周围复杂生物基质干扰,该项研究仍面临着巨大的技术挑战。近年来,质谱成像作为一种原位且无需标记的分析技术正飞速发展,该技术可同时分析组织表面多种化合物的空间分布,且无需复杂的样本制备过程。基质辅助激光解吸电离(matrix-assisted laser desorption/ionization,MALDI)作为一种真空条件下高灵敏度的离子化方法,目前在质谱成像中应用最为广泛。该技术检测时需使用基质辅助激光解吸附并离子化组织表面化合物,但采用传统基质时会产生大量基质离子和/或加合离子峰,影响m/z 100～1000范围内代谢物的检测。因此,为减少基质抑制效应并提高对生物组织中代谢物检测的灵敏度,我们建立了如下方法:1.以氧化石墨烯为基质的生物组织代谢物质谱成像研究氧化石墨烯(graphene oxide,GO)是一种只有单原子层厚度的二维纳米材料,具有优良的物理、化学、光学和机械性能。本研究采用GO作为基质,在负离子模式下对小鼠脑组织切片表面的代谢物进行MALDI质谱成像分析。该方法实现了对组织中212个化合物的有效检测和成像分析,包括190个脂质分子和22个小分子代谢物,其中对69个脂质分子在组织原位进行了二级质谱结构鉴定。相比于传统有机化合物基质9-氨基吖啶(9-aminoacridine,9AA)和N-(1-萘基)乙二胺二盐酸盐(N-(1-naphthyl)ethylenediamine dihydrochloride,NEDC),GO 基质对多种代谢物的检测灵敏度更高,且无基质峰干扰,小鼠脑组织中检测到代谢物的数量更多而且成像效果更好。此外,该方法被用于乳腺癌移植瘤样本的质谱成像分析,结果发现多种脂类和核苷等小分子代谢物的水平在肿瘤组织内部呈现差异性变化,揭示了肿瘤异质性。2.常压敞开式质谱成像研究胃癌组织中代谢物的分布常压敞开式离子化技术近年来不断发展,相比于传统的MALDI技术,该方法样本前处理简单、无需喷涂基质、并且可在大气压条件下实现对组织的快速原位分析。本课题组前期建立了一种基于液体萃取电超声离子化(liquid extraction electrosonic spray ionization,LEESSI)技术的新型常压离子源,该技术结合高分辨的傅里叶变换离子回旋共振质谱(Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer,FTICR MS)可实现对生物组织的高质量分辨率和高空间分辨率的快速质谱成像分析。本研究中,我们采用LEESSI质谱成像技术结合多元统计分析胃癌组织中代谢物的分布及变化情况。结果发现多种代谢物分子水平在胃癌组织和癌旁正常组织出现差异性变化,其中脂肪酸(FA(18:1)、FA(18:2)、FA(20:4))、磷脂酰甘油(PG(16:0/18:1)、PG(16:0/20:3)、PG(16:0/20:4))、脂肪酸酯(PAHSA、OAHSA、POHSA)及磷脂酰肌醇(PI(16:0/18:1)、PI(18:1/18:1))在癌组织中显著上调,而肌苷和磷脂酰乙醇胺PE(20:1/22:6)则在癌旁正常组织中上调。该结果说明组织中脂类及肌苷等小分子代谢物的水平与肿瘤的发生发展密切相关,并且该常压离子源是研究肿瘤组织中代谢物变化的有力手段。