質譜成像（Mass Spectrometry Imaging, MSI）作為一種新型的分子影像技術，能夠直接從生物組織中獲得大量已知或未知的內源性代謝物和外源性藥物等分子的結構、含量和空間分布信息。相對于其他成像方法（如熒光成像、放射性標記成像等），該技術無需化學或放射性標記、不需復雜樣品前處理，具有高特異性、高通量和空間信息保留的突出優(yōu)勢。質譜成像技術可以實現(xiàn)生物組織中上千代謝物的定性、定量和定位分析，結合生物信息學分析，發(fā)展為空間代謝組學方法，可從生物組織原位發(fā)現(xiàn)差異代謝物，并識別其生物學功能。

本篇小鹿分享一篇空間代謝組學專業(yè)應用技術文章，探究空間代謝組學如何進行前列腺癌診斷和預后生物標志物的差異研究？該研究發(fā)現(xiàn)了前列腺癌樣本中的特定組織區(qū)室的不同代謝特征，確定了幾種可能被進一步開發(fā)為前列腺癌的診斷和預后生物標志物的差異代謝物和脂質。空間代謝組學能夠快速提供代謝物的水平差異和空間信息，是臨床上有潛力的創(chuàng)新診斷工具。

背景介紹

前列腺癌組織的分子表征對于尋找新的生物標志物、驗證臨床生物標志物和確定潛在的治療靶點非常重要。然而，前列腺癌組織樣本包含正常上皮、增生、基質和腫瘤區(qū)域，具有高度異質性，組織間固有的功能和分子差異導致常規(guī)的批量檢測方法有不同程度的信息丟失。

質譜成像（MSI）可以對組織切片不同區(qū)域中的潛在癌癥標志物進行空間檢測，有利于分析和比較不同組織類型的代謝組和脂質組學特征。

實驗設計

收集了15名前列腺癌患者共計45份新鮮冷凍組織核心樣本，進行空間代謝組學分析。從而實現(xiàn)對良性區(qū)域和腫瘤、NCE（包括正常腺體和增生）和癌癥的不同組織類型的代謝組和脂質組學研究。

實驗結果

1.樣品和分析概述

成功鑒定了 27 種代謝物和 44 種脂質，發(fā)現(xiàn)NCE（非癌上皮細胞）、基質細胞和癌癥組織代謝存在明顯差異。

圖1：運用空間代謝組學測到的代謝物和脂質的主成分分析(PCA)得分圖

a為負離子模式下掃描所得，b為正離子模式數(shù)據集。

按組織類型著色：NCE（藍色）、癌（紅色）和基質（黃色）。

2.不同組織成分之間的代謝物差異

圖2兩兩比較了NCE細胞、基質細胞和癌癥細胞的代謝差異。檸檬酸鹽、天冬氨酸鹽、鋅和多胺精胺在正常前列腺上皮細胞中含量較高，在癌癥細胞中則水平較低。?；撬?、葡萄糖、肌酸、AMP、ADP和ATP水平較高，與正常前列腺上皮功能相關聯(lián)的代謝物（檸檬酸鹽，天冬氨酸鹽，鋅和精胺）水平較低。癌癥組織中肉堿、乙酰肉堿、N-乙酰天冬氨酸、甘油磷酸乙醇胺這些與脂質合成和脂質重排相關的幾種代謝物含量上調，導致磷脂酰乙醇胺(PE)和磷脂酰肌醇(PI)含量上升。

圖2：通過正交偏最小二乘判別分析 (OPLS-DA) 確定的非癌上皮 (NCE)、基質和癌癥之間的代謝差異

代謝物顯示為藍色圓圈，脂質為綠色圓圈。

ACho = 乙酰膽堿，ADP = 二磷酸腺苷，AMP = 一磷酸腺苷，ATP = 三磷酸腺苷，BCt = 丁酰-L-肉堿，GPE = 甘油磷酸乙醇胺，HBCt = 羥基丁酰肉堿，NAA = N-乙酰天冬氨酸，LPC = 溶血膽堿，多聚磷脂酰膽堿= 磷酸乙醇胺，PE = 磷脂酰乙醇胺，PC = 磷脂酰膽堿，PG = 磷脂酰甘油，PI = 磷脂酰肌醇，PS = 磷脂酰絲氨酸，SM = 鞘磷脂。

圖3繪制了不同代謝物在組織內濃度的圖像，直觀顯示了代謝物在NCE細胞、基質細胞和癌癥細胞的濃度差異。

圖3：組織切片在兩種離子模式下，已識別代謝物的空間分布

在正離子和負離子模式下檢測到的質量分別用紅色加號和藍色減號表示。組織邊緣用黑色邊框勾勒出輪廓，但癌癥區(qū)域還包含一些無法單獨注釋的癌細胞與基質的區(qū)域。

ADP = 二磷酸腺苷，ATP = 三磷酸腺苷，GPEA = 甘油磷酰乙醇胺，HBCt = 羥基丁酰肉堿，HE = 蘇木精和伊紅，LPC = 溶血磷脂酰膽堿，NAA = N-乙酰天冬氨酸，PE = 磷脂酰乙醇胺，PI = 磷脂酰肌醇

3.癌癥組織中代謝途徑的改變

與膜生成密切相關的脂質從頭合成增加是許多癌癥類型的關鍵特征。與NCE相比，參與磷脂合成和重排的小代謝物，如膽堿和 GPE，在癌癥組織中水平上調。此外，還檢測到癌癥組織中的磷脂水平升高。盡管先前的研究顯示中間體磷酸膽堿、甘油磷酸膽堿、乙醇胺或PC在在前列腺癌中具有更高的水平，但本次檢測中這些代謝物和脂質在癌癥和NCE細胞之間沒有明顯差異，需要對此進行進一步研究。與NCE相比，LPC的含量在癌癥細胞中的水平下降。

β-氧化增加是癌癥中常見的另一種代謝改變。β-氧化的限速步驟是肉堿穿梭，檢測到肉堿和乙酰肉堿在癌癥中顯著上調，為 β-氧化升高提供了證據。大量研究表明肉堿穿梭系統(tǒng)具有進一步研究診斷的潛力。

圖4：比較NCE與癌癥的正交偏最小二乘判別分析 (OPLS-DA) 模型

以紅色表示癌癥中的較高水平的代謝物，藍色表示較低水平的代謝物。

CoA = 輔酶 A，CPT1 = 肉堿棕櫚酰轉移酶1，CACT = 肉堿乙酰肉堿轉移酶，CrAT = 肉堿 O-乙酰轉移酶，F(xiàn)A = 脂肪酸，GPE = 甘油磷酸乙醇胺，NAA = N-乙酰天冬氨酸

實驗結論

前列腺癌組織樣本中的不同組織區(qū)域具有不同的代謝特征。使用空間代謝組學確定了關鍵分子過程中的代謝差異，例如NCE、基質和癌癥之間的脂質代謝和前列腺分泌功能。

在不同組織結構中觀察到的代謝物水平差異，表明了空間信息及其測量方法的重要性。本實驗仍然存在一定的局限性，質譜成像過程中存在分子離域，可能導致結果假陰性。

文末看點｜lumingbio

在獲得AFADESI平臺原創(chuàng)團隊全力支持下，截止2021年9月，鹿明生物已經完成共計近千例樣本經驗，包括心臟、腦、腫瘤、腸道、肝臟、腎臟、皮膚等十幾種組織樣本空間代謝組學檢測及分析，檢測物質涵蓋膽堿類、多胺類、氨基酸類、肉堿類、核苷類、核苷酸類、有機酸類、碳水化合物類、膽固醇類、膽酸類、脂質類等多種類代謝物。

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