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空间代谢组学

上架时间:2021-11-05
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产品详情


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产品介绍


空间代谢组在解吸电喷雾电离质谱成像(DESI-MSI)技术上进一步升级,形成了空气动力辅助离子化解吸电喷雾电离质谱成像(AFAI-MSI)技术。利用空气流与传输管对带电液滴进行远距离传输,传输管中的带电液滴在高速气流和电压的作用下进一步脱溶剂、富集、离子化,继而提高检测灵敏度,同时扩展了待测样品的空间和操作灵活性,不仅适用于单一组织样本,也适合于大体积样品的远距离离子采集和成像分析。


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技术流程


1)在电喷雾毛细管喷嘴上施加一定高电压,喷雾溶剂从雾化器的内套管中流出,由外套管中喷出的高压氮气迅速将喷雾溶剂雾化形成带电喷雾液滴;

2)喷出的高速带电液滴轰击待测样品表面,在溶剂萃取作用下样品同时被解吸与电离;

3)含有被测样品的带电液滴迅速发生去溶剂化作用,从质谱分析器的采集锥孔进入分析器并被检测;

4)样品固定在承载平台,连续或脉冲移动承载平台对样品进行二维扫描;

5)同时质谱仪记录质谱信号强度获得样品表面的分子及其含量;

6)这些信息通过质谱图像分析软件转换后,即可获得选择离子或离子群的二维空间强度分布图。

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技术特点


1)高灵敏度:灵敏度可达pg级别

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含量为pg级的硫苷脂类代谢物在大鼠脑的成像图


2)宽动态范围:数量级103

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甘油磷脂酰胆碱在大鼠肾组织不同区域呈3个数量级梯度差异


 3)高覆盖度:涵盖多种类型小分子代谢物

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胆碱类、多胺类、氨基酸类、肉碱类、核苷类、核苷酸类、有机酸类、碳水化合物类、胆固醇类、胆酸类、脂质类等多种类代谢物。


4) 高特异性

高分辨分析器+强分辨力软件

实现m/z 相近代谢物的准确识别

Δm/z =0.001

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大鼠肾脏中m/z相近代谢物的空间成像


5)高异质性

实现组织结构和功能

代谢物的识别与特征分布

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人食管癌组织中代谢物的高异质性空间分布


我们的优势


1、项目经验


小鼠/大鼠:脑、肾、心、肝、脾、脊髓、垂体、胰腺、皮肤、整只小鼠/大鼠

肿瘤组织:食管癌、甲状腺癌、肺癌、乳腺癌、胃癌、脑胶质瘤、鼻咽癌、皮肤癌、肝癌

植物组织:根、种子


2、硬件支持


自有AFAI-MSI

Thermo QE 高分辨质谱

空间分辨率(100um*100um、20um*20um)+高质量分辨率:仪器持续升级


3、发明专利


3项授权发明专利、1项软件著作权(如下)

敞开式喷雾场解吸离子化方法及离子化装置,发明专利,授权号:ZL 2007 1 0303649.0

质谱成像平台装置及其控制方法,发明专利,授权号 :ZL 2012 1 0055424.9

一种离子源温控加热装置,发明专利,授权号:ZL 2012 1 0348043.X

一种用于生物组织质谱成像的离子传输装置,实用新型专利,授权号 :ZL 201520580709.3

CISILE 2019自主创新金奖,2019 CAIA特等奖;


4、数据库支持


LM空间代谢组学自建数据库:SmetDB、SmetPB

SmetDB针对人和动物,目前含4000+物质,涵盖氨基酸、脂质、核苷酸、碳水化合物、维生素和辅助因子、激素等物质;

SmetPB目前针对植物,含有6000+物质,涵盖生物碱类、酚酸类、黄酮类、香豆素类、苯丙素类、木脂素、萜类等10大类代谢物;


5、软件支持


基于大数据与人工智能的MassImager质谱成像处理软件


6、服务支持


学术支持:贺玖明教授,国内早期开发空间代谢组学方法的科学家之一

PNAS、Theranostics、Advanced Science、AC等杂志发表文章10余篇(见参考文献)


应用领域


医学领域:


1)疾病分子机制,如阿尔茨海默症、抑郁、脑缺血、糖尿病、心血管疾病等;

2)生殖发育学,如胚胎、器官发育过程中代谢调控和代谢表型等;

3)肿瘤代谢与肿瘤免疫,如肿瘤代谢微环境与肿瘤免疫逃逸等;

4)肿瘤分子病理诊断、分子分期/分型、生物标志物筛选等;

5)肿瘤耐药与用药研究等;

6)环境毒理学,如环境污染物的体内毒性效应和分子机制等;

7)新药药理和毒理,如药物的空间分布和体内效应和分子机制等;


农林牧渔领域:


1)发育学,如种子、胚胎、器官发育过程中的空间代谢调控等;

2)分子机制,如盐胁迫、病毒/真菌侵染、光合作用等机制研究;

3)基因调控机制,如转基因、基因沉默、基因敲除后代谢物变化的机制研究,了解基因与代谢物之间的关系等

4)植物与环境互作研究,如昆虫选择性侵害植物部位、土壤与根部互作研究等;

5)植物药用成分定位。


样本准备指南


1、样本类型


未经过福尔马林浸泡、HE染色,荧光标记等处理的新鲜组织样本。

5mm*2mm~2cm*4cm,大至整只大鼠/小鼠(15cm*10cm)。常规样本大小为1cm3左右。


2、送样准备


1)实验前准备

预冷生理盐水

50mL离心管中

封口膜或保鲜膜、锡箔纸、干冰、液氮、滤纸片、镊子、记号笔等;

2)样本处理流程

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3)送样流程


干冰寄送时,将样本盒埋没于干冰中,保证其上下都有干冰覆盖; 

干冰的量根据每天4公斤来计算,使用厚实(2cm以上厚度)的泡沫箱寄送。


4)送样注意事项


在允许的条件下,建议多准备一份样品作为备用;

样本质量是影响实验结果的最关键因素,因此在采集、制备、贮存、运输过程中应尽可能地做到迅速,大幅缩短样本从采集到实验的时间。


仪器设备


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研究案例分析


案例一:AFAI-MSI空间代谢组的高灵敏度和高覆盖度

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中文标题:一种高灵敏和高覆盖度用于检测基于分子组织学的功能代谢物的环境质谱成像方法

研究对象:大鼠肾脏组织、大鼠脑组织、人食管癌组织

技术平台:AFAI-MSI


摘要


功能代谢物与组织结构和生物功能之间有着深刻的联系,通过空间代谢组学提供代谢物的原位信息,在分子水平上从本质上揭示组织中发生了什么。然而,由于组织样品的复杂性、异质性以及存在大量不同的代谢物,但对于那些低丰度的功能性代谢物进行空间定位仍然是一个挑战。本研究,介绍了一种灵敏的气流辅助解吸电喷雾电离质谱成像方法,用于获得多种代谢物的空间成像。该技术具有覆盖范围广、灵敏度高、动态范围宽、分析过程快速、组织代谢物成像特异性高等特点。鉴定到1500多种代谢产物,包括胆碱、多胺、氨基酸、肉碱、核苷、核苷酸、氮碱基、有机酸、碳水化合物、胆固醇硫酸盐、胆酸、脂类等。该技术可以在非靶向分析中实现代谢物的空间可视化。代谢物的空间分布与异种移植的大鼠肾、大鼠脑和人食管癌的组织学结构和生物功能具有良好的空间匹配性。这种方法能够展示组织中的代谢物分布,并为组织学检查中的结构和功能分子识别,甚至为术中决策提供了一种有洞察力的方法。


结果展示


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高灵敏度:含量为pg级的硫苷脂类代谢物在大鼠脑的成像图

案例1结果2.png

宽动态范围:动态范围在103数量级的甜菜碱及其同位素离子在大鼠肾脏的成像图

案例1结果3.png

高特异性:三种m/z非常相近的代谢物 (m/z 369.0229;m/z 369.0998;m/z 369.2297)在大鼠肾脏中具有特异性分布

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高异质性:大鼠脑中m/z 808.5143,m/z 369.5557的空间成像图呈现组织结构分布的互补




案例二:肿瘤代谢机制研究


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中文标题:利用空间代谢组学揭示肿瘤组织中代谢物改变

研究对象:人食管癌组织

技术平台:AFAI-MSI


摘要


利用空间信息表征肿瘤代谢有助于我们理解复杂的癌症代谢重编程,有助于发现可能用于肿瘤治疗的潜在代谢物。然而,在高度异质性的肿瘤中表征不同区域代谢物的变化仍然富有挑战。研究者通过气流辅助解吸电喷雾质谱成像(AFADESI-MSI)对食管癌组织中位于不同代谢途径的多种代谢物进行了定位,并利用空间成像分析,提供了肿瘤相关代谢途径的线索,包括脯氨酸生物合成、谷氨酰胺代谢、尿苷代谢、组氨酸代谢、脂肪酸生物合成和多胺生物合成等。在食管鳞状细胞癌(ESCC)中进一步发现了与代谢途径改变密切相关的六种异常表达的代谢酶,如吡咯啉-5羧酸还原酶2 (PYCR2)和尿苷磷酸化酶1 (UPase1)在ESCC被发现发生了改变。基于空间代谢组学在空间分子水平揭示了癌症发生的机制,从而为理解癌症代谢重编程提供了见解。


研究思路

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结果展示


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食管癌组织(癌变与癌旁不同组织)潜在标志物的分布特征





案例三:药物毒性机理研究


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中文标题:基于空气动力辅助解吸电喷雾质谱成像的马兜铃酸肾毒性原位代谢组学研究

研究对象:小鼠肾脏

技术平台:AFAI-MSI


摘要


了解候选药物引起的肾毒性对于药物的发现和研发至关重要。本研究建立了一种基于空气动力辅助解吸电喷雾质谱成像(AFADESI-MSI)的空间代谢组学方法,用于直接分析肾组织切片中的代谢物。该方法随后被用于研究口服马兜铃酸I(一种已知的肾毒性药物)后大鼠肾脏的空间代谢谱变化,旨在发现与肾毒性相关的代谢物。结果,与精氨酸、尿素循环、丝氨酸合成、脂类、胆碱、组胺、赖氨酸和三磷酸腺苷代谢有关的38种代谢物在大鼠肾脏中呈现出独特的分布,并且与肾脏病理组织切片之间有良好的空间匹配性。这项研究为马兜铃酸造成肾毒性的潜在机制提供了新的见解,并表明基于AFADESI-MSI的空间代谢组学是研究药物毒性分子机制的一种有前途的技术。


研究思路

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结果展示

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食管癌组织(癌变与癌旁不同组织)潜在标志物的分布特征





案例四:药物在组织中的异质性分布


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中文标题:定量质谱成像方法评估抗癌药物肿瘤靶向效率和瘤内分布异质性

研究对象:整只小鼠(心脏,肝脏,脾,肺,肾,大脑,肌肉,肿瘤) 

技术平台:AFAI-MSI


摘要


在药物研究和开发的早期阶段,开发具有高准确度和灵敏度的分析方法,以实现抗癌药物的肿瘤靶向性研究以及这些药物的肿瘤内异质性分布的评估是一个重大挑战。质谱成像是一种无标记的分子成像技术,可提供药物和代谢物在生物体内分布的时空信息,其在药物开发领域的应用正在迅速增加。本文利用空间代谢组技术,实现了空间可视化紫杉醇(PTX)及其前体药物(PTX-R)在全身动物切片中的分布,该方法无标记,应用该技术评估了三个治疗组(PTX注射治疗组、PTX脂质体口服组和PTX-前体口服组)对裸鼠皮下异种移植A549瘤中的肿瘤靶向效率。本次结果表明,PTX注射组和PTX脂质体口服组中,PTX广泛分布于整个给药体的多个器官中。值得注意的是,在PTX-前体口服组中,前体药物和代谢的PTX主要分布在肿瘤组织中,并且该组与PTX-脂质体口服组相比显示出显著的差异,PTX-前体口服组的相对靶向效率增加了约50倍,导致系统毒性显著降低。此外,PTX-前体口服组显示在低分化的瘤内区和坏死区有明显的特异性积聚。


研究思路

空代案例4研究思路.png

结果展示


空代案例4结果展示.png

三个给药组在不同时间点的AFADESI-MSI可视图。(A)PTX在整体动物体内的时空和定量分布;(B)PTX在肿瘤组织中的时空和定量分布





案例五:空间代谢组解析植物胁迫机制研究


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中文标题:利用空间代谢组揭示大麦根不同微区对盐胁迫的响应机制

研究对象:大麦根

技术:LC-MS脂质组+空间代谢组


摘要


植物中由盐胁迫引起的代谢、离子和转录物的改变通常是用完整的植物组织来研究的,这些组织不能提供空间组织反应的信息。本研究的目的是评估短期盐胁迫前后四个大麦品种幼苗根部脂质谱的空间变化,并量化其元素组成的变化。研究者使用液相色谱-质谱(LC-MS/MS)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、空间代谢组和RT-qPCR平台的组合来检查盐胁迫前后三种解剖学上不同的种子根组织中脂质、离子和转录物的分子特征。研究者发现脂质的水平发生了显著变化,包括溶血甘油磷脂、神经酰胺和己糖神经酰胺水平的降低,以及甘油磷脂、羟基化神经酰胺和己糖神经酰胺水平的增加。研究结果表明,植物根在短期盐胁迫下对脂质和转录物的改变可能涉及主要脂质代谢物的改变,如磷脂酰胆碱(PC),通过甘油磷酸胆碱(GPC)的再合成。


研究思路

空代案例5研究思路.png


结果展示


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结果展示


K-Means图

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图例说明:空间代谢组定量结果为一个MxN维的矩阵,通常该定量矩阵可以达到上万行x上千列这样超高维度,在这样一个超高维度下进行聚类分析,获得分区信息,用于后续选取作为参考。


代谢物成像图


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图例说明:将所有质荷进行成像分析,获得其在组织切片中的分子轮廓信息,结合相邻组织切片的H&E染色图及研究筛选出与疾病相关的特异性潜在诊断标志物,实现分子水平的疾病诊断和评价。


正交偏最小二乘方-判别分析(OPLS-DA)


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图例说明:正交偏最小二乘方-判别分析OPLS-DA是有监督的判别分析统计方法。该方法在PLS-DA的基础上进行修正,滤除与分类信息无关的噪音,提高模型的解析能力和有效性,最大化地凸显模型内部不同组别之间的差异。在OPLS-DA得分图上,有两种主成分,即预测主成分和正交主成分。预测主成分只有一个而正交主成分可以有多个。OPLS-DA将组间差异最大化反映在t1上,所以从t1上能直接区分组间变异,而正交主成分上则反映了组内变异。两组样本在OPLS-DA得分图上具有显著的差异。根据OPLS-DA模型得到变量权重值(VIP, Variable importance of projection)其中VIP>1找到潜在的生物标记物。


火山图

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图例说明:利用火山图可以对p值和Fold change值进行可视化,有利于筛选差异代谢产物,其中红色原点代表显著上调的代谢产物,蓝色原点代表显著下调的代谢产物,灰色点代表不显著的代谢产物。


异代谢物热图

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图例说明:为了更直观的展示样本之间的关系及代谢物在不同样本之间的表达差异,对所有显著差异代谢物表达量进行层次聚类(Hierarchical Clustering)。横坐标表示样本名称,纵坐标表示差异代谢物。颜色从蓝到红表示代谢物的表达丰度从低到高,即越红表示差异代谢物的表达丰度越高。


相关性分析


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图例说明:通过相关性分析可以帮助衡量显著差异代谢物之间的相关密切程度,进一步了解生物状态变化过程中,代谢物之间的相互关系。相关性分析使用Pearson相关系数衡量两个代谢物之间的线性相关程度。红色表示正相关,蓝色表示负相关。


TOP-20代谢通路富集图

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图例说明:代谢通路中p-value为该代谢通路富集的显著性。红线示意p值为0.01,蓝线示意p值为0.05,条柱的顶端高于蓝线时,其所代表的信号通路具有显著性。


TOP-20代谢通路气泡图


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图例说明:代谢通路中p-value为该代谢通路富集的显著性,选择显著性富集pathway进行气泡图绘制。纵坐标为代谢通路名称;横坐标为富集因子(Rich factor,Rich factor=显著差异代谢物个数/该pathway中的总代谢物个数),Rich factor越大,则说明富集程度越大;颜色由绿到红表示p-value依次降低;点越大,说明富集到该pathway上的代谢物数目越多。


代谢通路图

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图例说明:通过KEGG pathway mapper功能对差异代谢通路进行展示,并根据上下调信息对差异代谢物着色显示。代谢通路图中的小圆圈代表代谢物。通路图中红色标识的代谢物为实验检测到的上调代谢物,蓝色为下调代谢物。


个性化分析

更多个性化分析请联系欧易/鹿明生物销售工程师




常见问题


1.空间代谢组建议多少个生物学重复?

对于个体差异比较小的样本,类建议每组≧3重复

对于群居性较大型动物(牛、羊、猪等),建议≧5重复

对于临床样本,个体差异非常大,建议每组≥5重复


2. 组织需要灌流处理吗? 

建议不进行灌流,灌流液有可能带走一些水溶性的代谢物,灌流力度不合适,也会造成组织结构的改变。但若不考虑水溶性代谢物或者想要排除血液中代谢物,那么可以考虑灌流。


3.如何选择合适的切面?

切面取决于研究目的,切片需要涵盖研究关注的区域,特别是像脑组织等具有复杂结构的组织或有特殊要求的。

建议用户到现场共同完成切片的过程,提高切片的成功率,减少中间沟通的时间成本;肿瘤组织,建议能包含癌、癌旁和癌远端组织,一般选择较大的截面进行切片。




参考文献


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