质谱中分析

大家好，本周为大家分享一篇发表在Anal Chem上的文章，Native Ambient Mass Spectrometry Enables Analysis of Intact Endogenous Protein Assemblies up to 145 kDa Directly from Tissue [1]。该文章的通讯作者是来自英国伯明翰大学的Helen J. Cooper教授。非变性原位质谱（native ambient mass spectrometry, NAMS）是一种新型的自上而下质谱分析方法。它结合非变性质谱和原位质谱的优势，可直接在蛋白质及其复合物的生理环境中进行对其进行无标记表征。NAMS可提供蛋白质结构、空间及瞬时相互作用的信息，具有直接从组织中分析内源性蛋白质组装体的巨大潜力。但是，目前，NAMS仅成功应用于直接检测低分子量 (20kDa) 或高丰度的蛋白，如血红蛋白四聚体或RidA 同源三聚体。目前应用于组织中蛋白质NAMS分析的技术有液体萃取表面分析（LESA）与纳喷雾解析电喷雾电离 (nano-DESI) [2]。LESA需要对组织底物进行自动微液节点采样，然后进行纳喷雾电离（nanoESI）进行MS分析。nano-DESI则通过探针与流动相形成流动溶剂桥，与样品直接接触，之后进行质谱分析成像。在本研究中，作者采用NAMS对大鼠脑、肾、肝组织切片中的蛋白质组装体进行全面分析。主要通过调整质谱仪中的离子光学和气体压力以改善m/z传输与纳喷雾性能，来实现对较大蛋白质组装体的分析。结果鉴定出八种蛋白质组装体，证明了NAMS的可及分子量高达145kDa，并通过nano-DESI质谱成像在大脑和肾脏中绘制了高达94kDa的蛋白质组装体的空间分布。在脑组织中，作者通过nano-DESI NAMS绘制了大鼠大脑切片中分子量为37.0–66.4kDa的完整蛋白质复合物的空间分布以及对应的质谱图（图1a,b）。实验成功鉴定并成像出大鼠脑组织中三种蛋白质组装体，包括同源三聚体细胞因子巨噬细胞迁移抑制因子 (MIF, 37.0kDa)、同源二聚体磷酸甘油酸变位酶1 (PGAM1, 57.6kDa)和苹果酸脱氢酶2 (MDH2, 66.4kDa)。结果发现，MIF在整个脑组织区域是均匀分布（图1c）。作者通过nano-DESI-HCD MS2分析产生的单体 (5+、4+) 和二聚体 (5+) 亚基和序列离子的谱图，识别出MIF（图1d）。作者还利用nano-DESI-HCD MS2成功识别出PGAM1，并发现PGAM1在大脑皮层区域中显示出高丰度，而在中脑和胼胝体中的丰度较低（图1e，f）。相比之下，MDH2在脑组织中的空间分布基本均匀（图1g，h）。检测到的结果与蛋白在大鼠脑中的实际分布相符合，可信度较高。图 1. 离子图像和 HCD MS2光谱表明大鼠脑中蛋白质复合物的亚基解离。(a) H&E染色的连续组织切片的光学图像。标签：Ce,小脑；C，大脑皮层；CC，胼胝体；F，穹窿；V，侧脑室区；Mb，中脑；Me，髓质和脑桥；H，海马；Th，丘脑；Ht，下丘脑；BG，基底神经节；OR，嗅觉区域。(b) Nano-DESI 全扫描质谱，代表光学图像中标记为“(b)”的像素。（c，d）巨噬细胞抑制因子同源三聚体显示均匀分布。（e，f）PGAM1同型二聚体分布。（g，h）MDH2同型二聚体分布。此外，作者在大鼠肾脏中鉴定了四种同源二聚体蛋白组件（61.2-94.2kDa），包括ω-酰胺酶 (61.2kDa)、MDH2 (66.4kDa)、苹果酸脱氢酶1 (MDH1, 72.8kDa) 和α-烯醇化酶 (94.2kDa)，并将其成像（图2）。其中观察到的α-烯醇化酶为金属结合形式，每个亚基上结合了2个Mg 2+离子。图 2. (a)大鼠肾脏的H&E染色连续切片显示皮质(C)和髓质(M)组织。(b)在MSI期间获得的大鼠肾皮质组织中单个nano-DESI 像素的示例全扫描质谱。(c, d)α-烯醇化酶同型二聚体。(e, f)苹果酸脱氢酶1。(g, h) MDH2同型二聚体。(i, j) ω-酰胺酶。研究还从大鼠肝组织中鉴定出同型三聚体鸟氨酸转氨甲酰酶（OTC，108.8kDa）和同型四聚体乳酸脱氢酶A（LDHA，145.4kDa）（图3）。其中，在全扫描模式下，nano-DESI可以检测到145.4kDa的LDHA的较弱信号。通过nano-DESI-PTCR MS2的进一步确认，检测到的物质确实为LDHA。图3. (a) 直接来自大鼠肝组织的完整OTC同源三聚体的nano-DESI-PTCR MS 2。(b) 完整OTC同源三聚体的nano-DESI-HCD MS 2显示亚基质量为36.2kDa。(c)完整LDHA同源四聚体 (145.4kDa)的nanoESI-PTCR MS2。(d)完整LDHA 同源四聚体的nanoESI-HCD MS2。在此研究中，作者成功利用NAMS质谱分析方法，直接从组织中检测并鉴定出内源性蛋白质组装体，分子范围为37.0-145.4kDa，包括二聚体、三聚体以及四聚体。其中检测到的上限（145.4kDa）超出LESA MS报道的质量上限的两倍，比nano-DESI 报道过的质量上限高出100kDa。通过调整离子光学和高m /z的气体压力，或者后续仪器和方法的开发，NAMS有可能进一步突破145.4kDa的上限，检测到分子量更大的蛋白组装体。[1]Hale OJ, Hughes JW, Sisley EK, Cooper HJ. Native Ambient Mass Spectrometry Enables Analysis of Intact Endogenous Protein Assemblies up to 145 kDa Directly from Tissue. Anal Chem. 2022 Apr 12 94(14):5608-5614.[2]Hale OJ, Cooper HJ. Native Mass Spectrometry Imaging and In Situ Top-Down Identification of Intact Proteins Directly from Tissue. J Am Soc Mass Spectrom. 2020 Dec 2 31(12):2531-2537.

脑胶质瘤是最常见的原发恶性脑肿瘤之一，具有边界不清、毗邻功能区、放化疗不敏感等特点，手术切除困难，预后差。此前已有研究发现，2-3级胶质瘤患者中80%存在代谢酶异柠檬酸脱氢酶（Isocitrate dehydrogenase，以下简称IDH）突变，这类IDH突变胶质瘤好发于周边脑叶，年轻人常见，在最大限度肿瘤手术切除后，可显著提升生存率。因此，术中快速识别IDH突变，实现胶质瘤术中分子病理诊断对提升患者预后意义重大。2024年5月28日，复旦大学附属华山医院毛颖/花玮教授团队、清华大学精密仪器系张文鹏/欧阳证教授团队、美国普渡大学R. Graham Cooks教授团队以及梅奥诊所Alfredo Quinones-Hinojosa教授团队合作在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表了题为术中质谱法快速检测胶质瘤中IDH突变“Rapid Detection of IDH Mutations in Gliomas by Intraoperative Mass Spectrometry”的最新研究成果。此项研究中，使用清谱科技便携式质谱分析系统Cell及活检组织检测直接毛细管电喷雾（Direct Capillary Spray，DCS）试剂盒实施了脑胶质瘤术中检测与分型。清谱科技创新设计中心科学家吴俊函博士是本文的共同第一作者，清谱科技应用中心负责人王南博士参与本研究工作。该项研究由中美顶尖研究和临床机构合作近5年完成，是迄今为止已知规模最大的术中胶质瘤IDH突变检测临床试验。通过临床队列研究，确定了质谱诊断IDH突变的最佳指标和阈值。实验结果表明，通过术中质谱技术以2-HG和GLU的比值作为诊断指标，在260位胶质瘤病人的697例样品检测中实现了100%的IDH突变检测准确率。其中，183位病人的309例样品使用清谱科技Cell便携式质谱分析系统与DCS试剂盒完成检测。胶质瘤是目前发病率最高的颅内原发恶性肿瘤，具有进展快、死亡率高且预后差的特点，超过80%WHO 2-3级的胶质瘤中都存在异柠檬酸脱氢酶（Isocitrate dehydrogenase，IDH）基因突变。IDH突变的胶质瘤患者在最大限度肿瘤手术切除后，可显著提升生存率，所以实现胶质瘤术中IDH突变检测对胶质瘤患者预后提升具有重要意义。脑胶质细胞发生IDH突变后，三羧酸循环中的α-酮戊二酸（α-KG）将转变为一种特殊的肿瘤小分子代谢标志物 2-羟基戊二酸（2-HG），进而促进癌变。因此，IDH突变患者的肿瘤区域将会积累大量2-HG，通过检测2-HG可诊断IDH突变情况。图1 IDH突变型胶质瘤中的代谢变化示意图在本研究中，美方研究团队使用电喷雾解吸电离方法（DESI）和传统大型质谱仪结合的方案；中方团队则采用直接毛细管电喷雾DCS试剂盒与便携式质谱分析系统Cell结合的即时化学检测方案，实现了：1. 2-HG和内标谷氨酸的快速准确检测；2. 成功构建了完整的脑胶质瘤IDH突变术中诊断流程；3. 将术中组织采集到IDH突变检测结果反馈全流程时间压缩至1.5分钟。本研究开创了脑肿瘤术中便携式质谱即时检测的应用范式，将为临床医生在术中进行肿瘤分析提供新的技术储备，为胶质瘤患者预后提升提供重大帮助。图2 术中质谱分析流程示意图本研究在对复旦大学附属华山医院和梅奥诊所的样品检测，实现了100%的IDH突变检测准确率。在实际的术中实践中，该方法还展现了在辅助临床医生明确肿瘤类型、平衡肿瘤切除率与神经功能保全关系、术中进行肿瘤边界判断等方面的优势。这项研究不仅实现了术中分子病理快速诊断，同时为外科手术带来革命性变化和想象空间，为医生的手术策略制定提供重要的分子诊断依据，具有重要的临床价值，是未来手术个性化、精准化的发展方向。图3 临床队列情况以及检测结果图4 脑胶质瘤IDH基因突变检测试剂盒分析流程该研究首次将质谱仪搬进手术室，便携式质谱分析系统将成为外科医生的代谢之眼，为医生及时提供有效分子诊断信息，为患者带来福音。同时，清谱科技的便携式质谱分析系统已经应用于公共安全、科学研究以及临床医学领域。清谱科技将进一步推广便携质谱技术及原位电离技术在医疗行业如血药浓度检测、术中诊断、基于精细结构脂质组学的疾病诊疗研究等方面的广泛应用。

样品前处理技术近年来越来越重要，大部分仪器在进行测定之前都要进行样品前处理，在分析测试中，样品前处理占大部分时间。与其他技术相比，新型样品前处理技术有以下几个优点：能同时定量分析多种有害组分，而不是单一组分 对环境不造成二次污染，符合绿色化学 能处理海量样本，高通量分析 准确、重复性好，不同实验室数据可比 成本合理。　　在2009年4月9日召开的“2009中国科学仪器发展年会”上，中国科学院大连化学物理研究所关亚风研究员在本次报告中详细介绍了一种新型样品前处理技术——萃取技术，并从固相萃取、固相微萃取、液相微萃取、加压溶剂萃取等几个方面介绍了萃取技术的最新进展以及其在环境和食品中分析中的应用。　　1、固相萃取(SPE)：主要介绍了分子印迹固相萃取技术( M I-SPE )和基质固相分散技术(MSPD)等萃取技术。其中，分子印迹技术( MIT)源于生物学上抗原与抗体的作用机理，利用此技术所制得的MIPs 除了具有强大的分子识别功能外，还具有机械强度好、耐高温、耐酸碱、耐溶剂性好、稳定性好、能够反复使用等优点。分子印迹固相微萃取的形式包括“管内M I-SPME”和“萃取纤维”。　　2、固相微萃取(SPME)：介绍了纤维针(Fiber-SPME)、吸附搅拌棒 (SBSE)、样品萃取瓶(Vial-SPME)、膜萃取(MSPME)等几种固相微萃取技术。　　3、液相微萃取(LPME)：介绍了分散液相微萃取(DLLME)、悬滴式( drop-based, LPME) 、中空纤维式( hollow fiber based,LPME)等几种液相微萃取技术。　　4、加压溶剂萃取：介绍了加压流体萃取(PLE) 、加速溶剂萃取(ASE)、超临界流体萃取(SFE)、亚临界流体萃取(SCFE)等加压溶剂萃取技术。　　最后，亚风研究员还简要介绍了微波辅助萃取技术和凝胶渗透色谱(GPC) 萃取技术。