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空间代谢组

空间代谢组可开展生物组织中代谢物成像与原位分析,有利于掌握机体生理或病理相关的代谢物变化规律和时空分布特征,能深层次地理解其在生命活动及病变过程中的作用和机制。
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空间代谢组
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代谢物
空间分布
空间质谱成像
MSI 空间代谢组
1
产品描述

产品介绍:

  空间代谢组学是整合质谱成像(Mass spectrometry imaging, MSI)和代谢组学(Metabolomics)技术,对动/植物组织中代谢物的种类、含量和空间分布进行精准测定,扩展了代谢组信息维度,对生命科学研究具有重要意义。

  迈维代谢采用MALDI-TOF MS(基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱,Matrix Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight MS)技术进行空间代谢组检测。MALDI-TOF MS将分析物分散在基质分子中并形成共结晶,当用激光照射晶体时,由于基质分子经辐射所吸收的能量,导致蓄积并迅速产热,使基质晶体升华;基质和分析物膨胀并进入质量分析器,从而获得样本表面各像素点离子的质荷比和离子强度,与质谱成像软件结合,获得对应离子的信号强度和其在样本表面的位置,绘制出对应分子或离子在样本表面的二维分布图。

10-1g

10

MALDI-TOF MS检测流程

技术优势:

  (1)高空间分辨率:无与伦比的5微米像素(亚细胞级别);
  (2)高质量分辨率及灵敏度:高灵敏度、高分辨地获得待测样本中目标分子的精准时空分布,准确可视化该分子质量的化合物。
  (3)检测物质多样:拥有业界最全数据库,能够对目标或者非目标分析物进行成像分析。
  (4)扫描速度快,定量稳定性高。
  (5)定性准确性高,拥有业界首个空间代谢组数据库。
  (6)可根据需求进行个性化实验。

应用方向:

  (1)肿瘤研究

  MSI提供高度详细的代谢物图,可用于肿瘤标志物筛选、肿瘤边缘区分,以及药代动力学研究。通过肿瘤标志物筛选可对肿瘤进行诊断、分型、分级,并识别潜在的治疗靶点,有利于精准治疗。通过比较肿瘤内、肿瘤边缘和健康区域,对肿瘤边缘区分,以判别外科医生手术是否准确切除肿瘤组织,未少切除或者过度切除。

10-2g

  (2)疾病研究

  系统生物学方法已对基因组、代谢组和环境之间的相互作用进行全面检查,空间代谢组作为较新技术,可为疾病发病机制提供新的思路。
 

MALDI在神经系统疾病中的应用

疾病

物种

结论

文献

阿尔茨海默病(AD)

AD 和对照大脑之间脂质种类的相对丰度不同,主要在 CA1 和海马的齿状回区域

Hippocampal lipid dierences in Alzheimer’s disease:A human brain study using matrix-assisted laser desorption/ionization-imaging mass spectrometry

鞘脂(神经酰胺、硫苷脂和神经节苷脂)显示选择性定位于皮质和海马内的β-淀粉样蛋白聚集体,神经节苷脂和神经酰胺特异性定位于β-淀粉样蛋白阳性斑块

Shedding Light on the Molecular Pathology of Amyloid Plaques in Transgenic Alzheimer’s Disease Mice Using Multimodal MALDI Imaging Mass Spectrometry.

大鼠

AD 小鼠大脑的脂质特征表现出脂质稳态的早期变化:白质由较高水平的简单神经节苷脂和较低水平的复杂神经节苷脂组成

Membrane-lipid homeostasis in a prodromal rat model of Alzheimer’s disease: Characteristic profiles in ganglioside distributions during aging detected using MALDI imaging mass spectrometry

帕金森病 (PD)

小鼠

虽然通常仅在海马和小脑细胞中发现,但在 PD 脑中检测到CRMP-2蛋白。

MALDI Imaging of Formalin-Fixed Para n-Embedded Tissues: Application to Model Animals of Parkinson Disease for Biomarker Hunting

小鼠

确定了 PD患者和对照大脑之间各种神经递质和氨基酸的水平及定位的明显差异。

Direct Targeted Quantitative Molecular Imaging of Neurotransmitters in Brain Tissue Sections

亨廷顿病 (HD)

小鼠

在 HD 髓磷脂层内,硫脂和甘油三酯水平降低,而鞘磷脂和 1-磷酸神经酰胺水平在椎板中增加; 在 HD 室管膜层内,磷脂酰肌醇水平降低。

Subventricular zone lipidomic architecture loss in Huntington’s disease

小鼠

用 IMS 分析了 P42(一种 23 个氨基酸的肽序列)作为 HD 的新疗法的功效,以确认药物递送,研究药代动力学特性,并观察递送后的分子变化。

Systemic delivery of P42 peptide: A new weapon to fight Huntington’s disease.

肌萎缩侧索硬化症(ALS)

与对照组相比,ALS 脊髓中Ubc-174 水平显著降低,这与灰质中代谢物的正常组织学分布平行。

MALDI imaging of post-mortem human spinal cord in amyotrophic lateral sclerosis.


  (3)药代动力学

  精准医学可以被描述为“正确的药物,在正确的位置,在正确的浓度”提供治疗,随着质谱成像的发展,现在可以研究肿瘤内药物浓度和分布。
 

MALDI-MSI在药物分布研究中的适用性

体内和器官内的药物分布

体内药代动力学研究

可能的毒性

器官部位靶点 (CNS)

临床研究

从患者的肿瘤/组织活检或尸检中研究药物分布

肿瘤内药物分布

临床前研究(体外)

了解药物如何通过实体组织(3D 组织培养模型)

临床前研究(体内)

药物分布和与肿瘤结构(血管、基质)的相关性

研究药物与其靶点相互作用的潜在作用

药物通过肿瘤扩散

临床研究

临床样本对患者肿瘤药物成像的潜在用途

原理验证研究

可用于新的药物输送系统和新方案或药物组合的优化

临床前研究

药物分布的体内研究有助于回答下列问题:

1、药物是否优先在肿瘤中递送而不是在其他健康组织中递送?

2、肿瘤内是否有更均匀的分布、更好的保留或吸收?新药物输送系统、药物组合或时间表的临床前原理验证

临床研究

作为早期临床试验的一部分,在进入II期和III期临床试验之前确认之前的临床前结果

主要证明临床试验


  (4)植物研究

  近年来,质谱成像在植物分析方面取得了重大突破,因为它可以确定分子组成和空间分布,有利于了解植物中特定成分的功能和调控途径。

10-3g

  (5)中草药研究

  中药研究一直存在两大难点,中药药效成分难以分析,中药药理、毒理机制混乱。为了克服上述障碍,可采用空间代谢组方法(空间质谱成像(MSI))直接分析植物组织中药效成分。MSI可同时检测不同类别的天然化合物,质谱图像直观地揭示了化合物在组织中的分布,为生物合成机制、生理功能以及药用植物中的天然化合物的运输方式提供新的洞察力。且MSI可清楚地揭示动物体中的中药天然化合物的靶器官,成为研究中医药理学行为的潜在工具。

10-4

研究思路:

  (1)质谱成像揭示莫达非尼诱导黑腹果蝇脑脂质组成改变

10-5

期刊:Angewandte Chemie International Edition in English,发表时间:2021.05,影响因子:12.959

研究背景:

  莫达非尼在帕金森病、注意缺陷/多动障碍、抑郁症和药物成瘾的认知改善方面的疗效已被证实。大脑中脂质组成分的改变和扰动与多种神经系统疾病和神经退行性疾病相关。因此,了解大脑中脂质组成对于探寻疾病发生的可能机制至关重要。虽然已有文献讨论了莫达非尼对大脑和血液中脂质改变的影响,但这是首次报道莫达非尼对果蝇大脑中磷脂、甘油三酯(TAG)和鞘脂的空间区域组成的影响。

研究思路:

10-6

研究结果:

10-7

对照组(左侧)和莫达非尼治疗组(右侧)的果蝇脑切片中脂质头基片段的分布

研究结论:

  利用质谱成像技术研究了莫达非尼对果蝇大脑脂质组成变化的影响。莫达非尼降低了PC和SM的含量,增加了PEs和PIs的含量。莫达非尼引起的脂质变化与认知增强的哌醋甲酯相似,而与认知减弱的可卡因相反。脂质修饰疗法可能是改善认知能力下降的疾病新的化学靶点。

  (2)MALDI-MSI可视化枸杞果实不同发育阶段内源性分子的空间分布

10-8

期刊:Talanta,IF:6.057,发表时间:2021年7月

研究背景:

  枸杞果实富含糖类、有机酸、生物碱、黄酮类和多酚等内源性分子,并且随着果实的发育而合成和降解,导致其空间分布和含量发生变化,从而对枸杞果实的营养、潜在功能价值和品质产生重要影响。许多研究人员通过液相色谱、气相色谱和组合方法研究了枸杞果实内源分子含量的变化。然而,这些内源性分子在果实发育过程中的空间分布信息未见报道。

研究思路:

10-9

研究结果:

10-10

不同内源性分子在不同发育阶段的MSI结果

研究结论:

  作者开发了一种 MALDI-MSI 方法对枸杞果实中的内源性分子进行可视化分析,并且首次利用MSI表征了枸杞成熟过程中内源分子的分布和变化,为了解内源性分子的生理作用提供重要的科学依据。

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迈维代谢于2015年成立于武汉国家生物产业基地-光谷生物城生物创新园,是中国代谢组领域知名企业,专注于创新代谢组技术在生命科学研究与医学健康两大领域的应用。自成立以来,迈维代谢被认定为国家高新技术企业、瞪羚企业、武汉“千企万人” 计划支持企业,全国精准医学产业创新联盟常务理事单位等,近年来,公司相关技术成果曾多次在Cell、Nature Genetics、Nature Communications、PNAS、National Science Review等国际学术期刊发表。

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