空间代谢组学技术助力中药复杂体系物质基础解析

空间代谢组学技术助力中药复杂体系物质基础解析

原创 飞飞 赛默飞色谱与质谱中国

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近年来，基于质谱成像的空间代谢组学技术在中医药领域备受专家学者的关注和认可，热度持续攀升。中国药科大学的研究成果“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，该研究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。赛默飞多年来致力于空间代谢组学方案的应用与开发，并深耕中医药领域，为国内多所知名科研院校提供技术支撑，研究成果相继发表于国内外权威期刊。

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

2024年4月，中国中医科学院在 Journal of Advanced Research 发表了题为“Unveiling the regulatory mechanisms of nodules development and quality formation in Panax notoginseng using multi-omics and MALDI-MSI”[1]的文章。该文基于MALDI-MSI质谱成像空间代谢组学、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

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研究基于发育解剖学、激素质谱成像空间代谢组学、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

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基于MALDI-Orbitrap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联合黑龙江中医药大学在 Food Chemistry 发表了题为“LC-MS and MALDI-MSI-based metabolomic approaches provide insights into the spatial–temporal metabolite profiles of Tartary buckwheat achene development”[2]的文章。该研究利用Orbitrap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。

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）。与质谱的结果一致，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AP-SMALDI Orbitrap空间代谢组学运用到黄酮类化合物强度的研究中，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。

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图（点击查看大图）

本研究利用 AP-SMALDI Orbitrap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）。

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（点击查看大图）

利用MALDI质谱成像技术揭示牡丹和芍药根的空间代谢组

此前中国药科大学在New Phytologist期刊上发表了题为 “Unveiling spatial metabolome of Paeonia suffruticosa and Paeonia lactiflora roots using MALDI MS imaging”[3]的研究论文。本研究结合多基质和Orbitrap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AP-SMALDI质谱成像，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MALDI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

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上述研究中空间代谢组结果均采用了TransMIT AP-SMALDI离子源，搭载Thermo Scientific™ Q Exactive™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。AP-SMALDI 可搭配不同型号的Orbitrap，凭借超高分辨率、超高质量精度及媲美三重四极杆的灵敏度，成为空间代谢组学优选解决方案。

AP-SMALDI Orbitrap 系列质谱成像系统

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赛默飞进一步升级质谱成像解决方案，全新推出MALDI ESI Injector系列离子源，兼容ESI和APCI等离子源，通过配置t-MALDI（1μm空间分辨率）、MALDI-2（激光诱导后电离）搭载Q Exactive™或Orbitrap Exploris™系列可以实现单细胞或亚细胞超高分辨率成像分析。

T-MALDI-2 透射式超高分辨率质谱成像系统

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综上，该产品线结合TransMIT AP SMALDI系列离子源全方位满足客户对MALDI-Orbitrap空间代谢组学方案需求。

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.

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