近年來，質譜成像技術（Mass Spectrometry Imaging，MSI）在藥物研發、疾病發生發展機制、腦科學、環境科學等科學領域得到廣泛關注與應用。2022年空間組學（spatial omics）技術被《Nature》評為最值得期待的七種榜單技術之一，而MSI技術為空間組學研究提供了新的手段和思路。

近日，分析測試百科網采訪了質譜成像技術及空間代謝組學研究專家：中國醫學科學院&北京協和醫學院藥物研究所再帕爾·阿不力孜教授與賀玖明研究員。他們介紹了自主研發的敞開式AFADESI離子源與AFADESI-MSI新技術，以及AFADESI搭載Orbitrap高分辨質譜儀在空間代謝組學研究領域取得的一系列成果，并展望了質譜成像技術的發展前景。

中國醫學科學院藥物研究所

中國醫學科學院藥物研究所/中央民族大學 再帕爾·阿不力孜教授和賀玖明研究員（采訪視頻）

質譜成像前沿創新 自主產權離子源研制

再帕爾教授講述：

“美國普渡大學Cooks教授等人于2004年在Science上發表了解吸電噴霧離子化技術（DESI），研發出在敞開環境下樣品無需復雜前處理的離子化新技術，推動了敞開式離子化質譜及Ambient MSI技術的研究與應用途徑。”

中國醫學科學院藥物研究所/中央民族大學

再帕爾·阿不力孜教授 

然而，在敞開環境下空氣分子會影響離子化效率及離子的傳輸和聚焦，最終導致質譜檢測靈敏度降低。為了解決該問題，2005年再帕爾課題組與清華大學王曉浩課題組合作，經過多年努力，2011年研發出空氣動力輔助的新型敞開式離子化技術^[1]“Air Flow Assisted Ionization, AFAI，又稱AFADESI“ 。相較DESI技術，AFADESI除了靈敏度的提升之外，還擴展了待測樣品的空間和操作靈活性，便于大尺寸生物樣本的質譜成像分析。課題組于2013年在Anal Chem上發表了“無需切割的整體大鼠體內藥物分析質譜成像新方法”^[2]，2018年研發出質譜成像數據處理軟件“MassImager”。2017年開始與維科托（北京）科技有限公司合作開發工程化的AFADESI離子源與質譜成像裝置；并于2023年成功實現AFADESI離子化技術及成像裝置的成果轉化。

立足自主技術，拓展應用創新

談到這些年在AFADESI-MSI技術上取得的進展與成果，再帕爾教授首先感謝國家各科研基金和項目的支持。

從應用層面，發展了從整體動物到組織器官、組織微區水平的體內分子高靈敏、高覆蓋的質譜成像新方法，其成像檢測靈敏度可達pg級別、分析動態范圍達3個數量級，可檢測出十多種類、約1500個體內代謝物（DOI: 10.1002/advs.201800250）^[3]；并推動空間分辨代謝組學新方法的發展^[4]。相關進展與成果包括：從代謝物和代謝酶兩個層次全面表征腫瘤代謝改變，疾病原位標志物的發現^[5]；藥物體內原位分析及其藥效機制研究^[2,4,6]；空間腦代謝網絡^[7]；空間代謝組學與時空同位素示蹤整合方法^[8]，并發展空間代謝流新方法等。

質譜成像黃金解決方案：AFADESI源+Orbitrap高分辨質譜儀

賀玖明研究員表示：AFADESI源搭載Orbitrap高分辨質譜儀是質譜成像技術 “黃金解決方案”。

中國醫學科學院藥物研究所 賀玖明研究員

質譜成像分析前端沒有色譜分離，則針對分子量相近的體內代謝物分析，要求質譜具備高質量分辨率，才能將更多的代謝物區分開并獲得“真實”空間分布特征。許多代謝物的豐度不高，AFADESI和 Orbitrap中Ctrap都有助于提升代謝物的檢測靈敏度。此外，AFADESI具備大成像空間，可放置8塊載玻片，加之自動切片識別功能和Orbitrap質譜儀的質量軸高穩定性，可無人值守連續掃描72個樣品切片，期間無需校正即可獲得穩定可靠的結果。目前，除了生物醫藥研究外，AFADESI+Orbitrap成像方案還在農業、環境毒理、食品安全、文物保護和新材料研發等領域得到了應用實踐。

藥物所實驗室，左前：維科托AFADESI-10； 右后：Orbitrap Exploris^TM 120質譜儀

質譜成像技術及空間組學將為新一代科學發現賦能

最后，再帕爾教授詳盡總結了MSI技術的優勢和未來發展前景:

在優勢方面，MSI技術可實現從整體動物到組織、組織微區、單細胞中分子的可視化分析，獲取不同分子在生物體內的特異性分布信息，掌握分子的分布特征與其功能的關聯信息等，以便科研人員深層次了解生物化學過程以及參與生理和病理過程的功能分子。與此同時，MSI技術推動空間多組學的發展，為揭示分子在生命活動及病變過程中的作用機制，為藥物研發、疾病發生發展機制研究和新型疾病標志物的發現等提供全新視角和新穎研究手段^[9]。

展望未來，MSI技術前景廣闊。目前，發展單細胞水平的高通量、精確識別和完整分子表征的質譜成像新技術值得期待。另外，MSI很有可能發展成為新型的分子病理診斷技術。精準醫學的發展需要多學科、多手段的交叉與融合，研發基于MSI技術等質譜分析手段的新型臨床檢測、分子分型與分子診療技術是實現精準醫學的重要途徑之一。總之，MSI技術及其助推的空間多組學技術在諸多領域顯示出巨大發展前景而備受關注。

人物簡介：

再帕爾·阿不力孜 教授  中央民族大學/中國醫學科學院藥物研究所

中央民族大學原副校長、藥學院首任院長、二級教授，“質譜成像與代謝組學”國家民委重點實驗室主任。北京協和醫學院特聘教授、藥物分析學系主任，中國醫學科學院藥物研究所研究員、博士生導師、藥物分析研究室主任。教育部科技委藥學與中醫藥學部委員，中國分析測試協會副理事長，中國醫藥生物技術協會藥物分析技術分會副主任委員。曾擔任中國醫學科學院&北京協和醫學院院校長助理、科技處處長、研究生院常務副院長、天然藥物活性物質與功能國家重點實驗室副主任。曾任國務院學位委員會第七屆藥學學科評議組成員、中國物理學會質譜分會副理事長、中國化學會質譜專委會副主任委員等。“新世紀百千萬人才工程”國家級人選，享受國務院政府特殊津貼專家，國家民委領軍人才。曾擔任“863”計劃項目首席專家、國家重點研發計劃項目負責人，現主持國家自然科學基金國家重大科研儀器研制項目等課題。長期從事質譜分析技術與方法及其在生物醫藥領域的應用研究。作為第一和通訊作者已發表學術論文130余篇，包括在PNAS、Advanced Science、Analytical Chemistry、Acta Pharmaceutica Sinica B等權威或專業領域重要期刊上發表一批學術論文；申請專利16項、獲授權專利12項，軟件著作權2項；主編著書《天然產物研究方法和技術》。獲得教育部自然科學獎一等獎（第3完成人）；以第一完成人分別獲得北京市科技進步二等獎1項，中國分析測試協會科學技術獎二等獎3項、一等獎1項、特等獎1項等。

賀玖明 研究員 中國醫學科學院藥物研究所

博士，博士生導師，藥物分析專業；中國醫學科學院北京協和醫學院藥物研究所天然藥物活性物質與功能國家重點實驗室 研究員，主要研究方向：質譜成像空間分辨代謝組學新技術新方法及其生物醫藥應用研究。開發出空氣動力輔助離子化及質譜成像新技術和空間分辨代謝組學新方法，建立了以空間分辨代謝組學技術為特色的新藥代謝研究平臺。近5年，發表了包括Nat. Commun., Adv. Sci., PNAS，APSB，JPA，Theranostics，CCL，Anal. Chem.等Q1區論文10余篇。曾獲 2010 年北京市科學技術獎二等獎（2）、CAIA2019 特等獎（2）。國家藥品監督管理局創新藥物安全與評價重點實驗室學委委員；擔任《藥學學報》、Acta Pharm Sin B、J Pharm Anal青年編委，Molecules、TMR Modern Herbal Medicine和《藥學研究》編委；中國醫藥生物技術協會藥物分析技術分會常務委員，中國質譜學會常務委員。

參考文獻：

[1] He J, Tang F, Luo Z, Chen Y, Xu J, Zhang R, Wang X, Abliz Z. Air flow assisted ionization for remote sampling of ambient mass spectrometry and its application. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2011, 25: 843-850.

[2]  Luo Z, He J, Chen Y, He J, Gong T, Tang F, Wang X, Zhang R, Huang L, Zhang L, Lv H, Ma S, Fu Z, Chen X, Yu S, Abliz Z. Air Flow-Assisted Ionization Imaging Mass Spectrometry Method for Easy Whole-Body Molecular Imaging under Ambient Conditions. Analytical Chemistry, 2013, 85: 2977-2982.

[3]  He J, Sun C, Li T, Luo Z, Huang L, Song X, Li X, Abliz Z. A Sensitive and Wide Coverage Ambient Mass Spectrometry Imaging Method for Functional Metabolites Based Molecular Histology. Advanced Science, 2018, 5.

[4]  Jingjing He, Zhigang Luo, Lan Huang, Jiuming He, Yi Chen, Xianfang Rong, Shaobo Jia, Fei Tang, Xiaohao Wang, Ruiping Zhang, Jianjun Zhang, Jiangong Shi, Zeper Abliz. Ambient Mass Spectrometry Imaging Metabolomics Method Provides Novel Insights into the Action Mechanism of Drug Candidates. Anal Chem, 2015, 87(10): 5372-5379.

[5]  Chenglong Sun, Tiegang Li, Xiaowei Song, Luojiao Huang, Qingce Zang, Jing Xu, Nan Bi, Guanggen Jiao, Yanzeng Hao, Yanhua Chen, Ruiping Zhang, Zhigang Luo, Xin Li, Luhua Wang, Zhonghua Wang, Yongmei Song, Jiuming He and Zeper Abliz，Spatially resolved metabolomics to discover tumor-associated metabolic alterations，Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS，2019，116 (1)，52-57.

[6]  Xiaowei Song，Qingce Zang，Jin Zhang，Shanshan Gao, Kailu Zheng, Yan Li, Zeper Abliz, and Jiuming He，Metabolic Perturbation Score-Based Mass Spectrometry Imaging Spatially Resolves a Functional Metabolic Response，Anal. Chem. 2023, 95, 17, 6775–6784.

[7]  Xuechao Pang, Shanshan Gao, Man Ga, Jin Zhang, Zhigang Luo, Yanhua Chen, Ruiping Zhang, Jiuming He, Zeper Abliz, Mapping metabolic networks in the brain by using ambient mass spectrometry imaging and metabolomics, Analytical Chemistry, 2021，93, 6746?6754.

[8] Bo Jin, Xuechao Pang, Qingce Zang, Man Ga, Jing Xu, Zhigang Luo, Ruiping Zhang, Jiangong Shi, Jiuming He, Zeper Abliz, Spatiotemporally resolved metabolomics and isotope tracing reveal CNS drug targets, Acta Pharmaceutica Sinica B, 2023, 13(4), 1699-1710.

[9]再帕爾·阿不力孜. 質譜分子成像技術與應用進展. 分析測試學報, 2022, 41: 1335-1344.