入选2023年度中医药十大学术进展：空间代谢组学技术助力中药复杂体系物质基础解析

科瑞恩特（北京）科技有限公司

2024/05/24 09:36

2024年3月22日，由中华中医药学会主办的2023年度中医药十大学术进展发布会在京召开。

中国药科大学李萍教授和李彬教授团队的研究成果“空间代谢组学技术助力中药复杂体系物质基础解析”入选2023年度中医药十大学术进展。该团队突破中药复杂化学成分空间分布成像技术瓶颈，系统构建了基于质谱成像的空间代谢组学新技术，高灵敏、高覆盖、高分辨解析中药复杂化学成分空间分布异质性及其体内外空间代谢规律。研究论文发表于Angewandte Chemie International Edition、Analytical Chemistry等。该进展促进了空间代谢组学技术的完善与发展，从空间维度精准揭示中药复杂物质组成与其代谢变化，为诠释中药科学内涵提供了全新视角。

近年来，基于质谱成像的空间代谢组学技术备受国内外专家学者的关注和认可，热度持续攀升。科瑞恩特（北京）科技有限公司多年来致力于质谱成像技术的推广与应用，并积极投身中药研究，为国内多所知名科研院提供技术支持，合作完成的研究成果相继发表于Food Chemistry、Journal of Advanced Research、New Phytologist 等权威期刊。

01 利用多组学和MALDI-MSI揭示三七“狮子头”形成及皂苷积累的调控机制

2024年4月7日，中国中医科学院黄璐琦院士团队在 Journal of Advanced Research 发表了题目为“Unveiling the regulatory mechanisms of nodules development and quality formation in Panax notoginseng using multi-omics and MALDI-MSI” 的文章。该文基于多组学分析、MALDI-MSI 质谱成像技术、拟南芥侵染回补、转录调控验证实验揭示了三七“狮子头”形成及皂苷积累的调控机制。

为探究“狮子头”与三七品质间的联系，对活血性成分三七皂苷及止血性成分三七素进行含量测定，显示皂苷含量与“狮子头”数目呈正相关，而三七素含量则与该性状无关。同时皂苷 AP-SMALDI-MSI 质谱成像显示，“狮子头”皮层组织高丰度积累人参皂苷 Rb₁，暗示 “狮子头”的形成与皂苷积累具有相关性（图1F）。

图1 与三七“狮子头”相关的活性成分组成

研究基于发育解剖学、激素质谱成像、转录组测序、拟南芥侵染回补、转录调控验证等实验，解析三七“狮子头”的形成机制（图2）。

图2 三七“狮子头”形成的调控机制模型

02 基于LC-MS和MALDI-MSI的代谢组学方法揭示苦荞瘦果发育的时空代谢谱

2024年3月，中国中医科学院中药研究所孙伟教授和黑龙江中医药大学马伟教授合作在 Food Chemistry 发表了题目为“LC-MS and MALDI-MSI-based metabolomic approaches provide insights into the spatial–temporal metabolite profiles of Tartary buckwheat achene development”的文章。该研究利用液质联用结合质谱成像技术构建了黑色和黄褐色苦荞瘦果三个重要发育阶段的时空代谢谱，并揭示了黄酮类成分在瘦果发育过程中的时空特异性分布情况，解析了类黄酮成分对苦荞瘦果胚发育和种壳颜色形成的潜在调控机制。

该研究采用 AP-SMALDI-MSI 技术对发育中的苦荞瘦果切片中的主要黄酮类化合物进行原位信息定位分析。瘦果纵横切面图显示，鞑靼荞麦瘦果由果壳、种皮、胚乳和胚组成（图3A）。与 LC-MS 的结果一致，黄酮类化合物，包括槲皮素、山奈酚、芦丁和烟花苷等，随着瘦果的发育而积累（图3C）。相反，原花青素 A、原花青素 B 和黄烷醇（表）儿茶素的含量随着瘦果的成熟而减少（图3B），表明它们在保护未成熟瘦果方面可能发挥潜在作用，从而防止瘦果在完全成熟前过早消耗。将代谢组学与 AP-SMALDI-MSI 中黄酮类化合物强度的研究相结合发现黄酮类化合物的组织特异性分布取决于化学修饰的类型。

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图3 苦荞瘦果发育过程中主要黄酮类化合物相对时空分布MALDI MSI图

本研究利用 AP-SMALDI-MSI 技术阐明了代谢物在鞑靼荞麦瘦果发育过程中的空间分布，黄酮醇作为鞑靼荞麦瘦果中的主要黄酮类化合物，根据化学修饰类型的不同，呈现出特定的空间分布，作者提出了鞑靼荞麦瘦果中主要黄酮类化合物与瘦果发育之间的调控关系（图4）。

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图4 黄酮类化合物在苦荞瘦果发育过程中参与调节胚发育和果壳颜色的模式图

03 利用MALDI质谱成像技术揭示牡丹和芍药根的空间代谢组

2021年4月，中国药科大学李萍教授、李彬教授在 New Phytologist 期刊上发表了题目为：“Unveiling spatial metabolome of Paeonia suffruticosa and Paeonia lactiflora roots using MALDI MS imaging” 的研究论文，本研究结合多基质和正负离子检测模式，对牡丹和芍药的根切片进行了高质量分辨率基质辅助激光解吸电离质谱成像（MALDI MSI）和 AP-SMALDI 串联质谱（MS/MS）成像，系统地研究了单萜糖苷类和丹皮酚苷类、单宁类、黄酮类、糖类、脂类等多种代谢产物的空间分布。利用 Li DHB 基质的串联质谱成像技术来准确区分芍药苷和芍药内酯苷两种结构异构体的组织分布（图5）。此外，参与没食子单宁生物合成途径的主要中间产物在根部成功定位和显示。

图5 AP-SMALDI MS/MS成像和LC-MS验证

上述研究中空间代谢组结果均采用了德国 TransMIT AP-SMALDI 10 离子源，搭载 Thermo Scientific^TM Q Exactive^TM超高分辨质谱仪，对不同药用植物中活性成分的空间分布进行了精准解析。

科瑞恩特（北京）科技有限公司先后引进德国 TransMIT AP-SMALDI10、AP SMALDI5 AF 常压 MALDI 离子源和美国 Spectroglyph LLC. MALDI ESI Injector 系列离子源，所有离子源均可与赛默飞 Q Exactive^TM或 Obitrap Exploris^TM系列质谱仪搭载使用，实现高空间分辨率、高质量分辨率、高质量精度、高灵敏度质谱成像检测。

AP-SMALDI 5AF Orbitrap 质谱成像系统

TransMIT AP-SMALDI 5AF 高分辨自动聚焦3D快速质谱成像系统在 AP-SMALDI 10 的基础上完成了升级，常压操作环境，空间分辨率可达到3μm，独特3D检测模式可以检测凹凸不平的样品表面，快速检测模式可达18pixel/s，全像素检测大大提高检测灵敏度，高空间分辨率和高质量分辨率使样本中的分子化合物达到最佳成像效果。

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T-MALDI-2 透射式超高分辨率质谱成像系统

MALDI ESI Injector 离子源，MALDI 源采用新型双离子漏斗设计，兼容ESI、APCI等离子源，实现 MALDI ESI 成像和 LC-MS 检测，在生物样本中可实现组织成像与结构鉴定。通过配置 t-MALDI（1μm空间分辨率）、MALDI-2（激光诱导后电离）等技术并搭载赛默飞 Q Exactive^TM或 Obitrap Exploris^TM系列超高分辨率质谱检测仪。

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参考文献：

[1] Yu M, Ma C, Tai B, et al. Unveiling the regulatory mechanisms of nodules development and quality formation in Panax notoginseng using multi-omics and MALDI-MSI[J]. Journal of Advanced Research, 2024.

[2] Liu T, Wang P, Chen Y, et al. LC–MS and MALDI–MSI-based metabolomic approaches provide insights into the spatial–temporal metabolite profiles of Tartary buckwheat achene development[J]. Food Chemistry, 2024, 449: 139183.

[3] Li B, Ge J, Liu W, et al. Unveiling spatial metabolome of Paeonia suffruticosa and Paeonia lactiflora roots using MALDI MS imaging[J]. New Phytologist, 2021, 231(2): 892-902.

[4] Tang W, Shi J J, Liu W, et al. MALDI Imaging Assisted Discovery of a Di‐O‐glycosyltransferase from Platycodon grandiflorum Root[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2023, 62(19): e202301309.

[5] Sun S, Tang W, Li B. Authentication of single herbal powders enabled by microscopy-guided in situ auto-sampling combined with matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry[J]. Analytical Chemistry, 2023, 95(19): 7512-7518.

[6] Sun R, Tang W, Li P, et al. Development of an Efficient On-Tissue Epoxidation Reaction Mediated by Urea Hydrogen Peroxide for MALDI MS/MS Imaging of Lipid C═ C Location Isomers[J]. Analytical Chemistry, 2023, 95(43): 16004-16012.

— 关于科瑞恩特 —

科瑞恩特（北京）科技有限公司成立于2012年，总部设立在北京市经济技术开发区，毗邻京东，京东方，Corning，GE，Bayer等世界五百强科技企业中国研发中心。

科瑞恩特公司是一家基于前沿生物成像（质谱成像、动植物活体成像、细胞成像）、国产化高端设备研发的实验室仪器设备和服务供应商，服务于生命科学、疾病控制、生物安全、食药健康等领域。无论是科研实验室、临床研究中心，还是企业研发基地，我们都能够提供专业的实验室综合解决方案，协助客户实现科研产出和成果转化目标。

— 科瑞恩特产品线 —

德国TransMIT：AP SMALDI质谱成像离子源、基质喷涂仪（全国独家代理）
Spectroglyph LLC.：MALDI ESI Injector离子源（USA）（全国独家代理）
瑞孚迪Revvity：多模式读板仪、核酸提取仪、小动物活体光学成像、细胞计数仪、液闪计数器、均质器
日本Yamato：灭菌器、烘箱、马弗炉、CO₂培养箱、喷雾干燥仪、旋转蒸发仪等
广纳慧川：智能试剂柜、智能标准品柜、智能防爆（火）柜、智能危化品柜等
美的Midea：医用冷藏箱、冷藏冷冻箱、低温冷冻箱、-86℃超低温冰箱等
莱普LabPre：LabPre超低温冷冻研磨仪，高通量组织研磨机、球磨机等（自研发）
全思美特：VHP移动式空间灭菌器（自研发）

— 科瑞恩特服务方案 —

全思美测：AP SMALDI质谱成像检测服务
全思美特：VHP过氧化氢空间灭菌服务

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