质谱成像技术及其在药用植物研究中的应用
发布时间：2021-01-13 01:08
质谱成像（mass spectrometry imaging,MSI）作为一种重要的分子成像技术,通过专用成像分析软件将质谱仪记录的特定区域离子化分子的离子强度、质荷比和坐标等信息转换为像素点模型,重新构造出被测化合物的空间离子分布图像,具有样品前处理简单、灵敏度高、无需标记等优势。近年来,MSI技术在医学、药学、植物学等领域得到广泛应用。其中,MSI技术在药用植物研究中的应用为明确药理机制、提高疗效、跟踪毒性成分分布等提供了新的技术思路,为药用植物的深度开发利用做了重要贡献。该文综述了近几年来MSI技术在药用植物鉴定、代谢物分布、有效成分合成途径、药用安全性及植物防御等方面的研究成果,讨论了不同研究方法的优缺点。最后,简要指出了MSI技术在药用植物研究中的优点和实际应用时存在的障碍,并对MSI技术和药用植物研究未来发展前景进行了展望。
【文章来源】：中国中药杂志. 2020,45(05)北大核心
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
一种改进的光束传输光学原理图[25]
质谱成像技术在药用植物代谢产物分布方面的研究不仅有利于各代谢产物动态积累规律[16]、合成途径[17-18]、位置-功能关系[19]研究,还有助于对药用植物生理变化反应的理解[20]。但是,由于植物组织固有的复杂结构和细胞结构,制备用于MSI的冷冻切片相当困难,对于薄、富水、易碎的叶片样品来说尤其如此[21]。有研究提出简单、快速、无需基质和低温恒温器的印迹取样技术可对非平面或不规则表面进行质谱成像分析,通过溶剂萃取和(或)提高温度可以改善由于样品向表面转移不良而产生的低强度信号[22]。这种方法最主要的缺点是由于细胞在印迹过程中被压扁,空间分布不可避免地被破坏。对此,LI B等提出的三元溶剂系统直接DESI-MSI是一种选择,且该方法比通常用于DESI的二元溶剂系统提供了更高、更稳定的软植物材料信号。这种方法的分辨率只有120 μm,现MALDI-MSI已实现5～10 μm的高空间分辨率,可在单细胞分辨率下揭示多细胞生物体代谢产物。实现MALDI-MSI高空间分辨率的一个重要限制因素是样品表面的激光点的大小,通过修改MALDI-LIT-Orbitrap质谱仪的激光束传输光学器件(原理见图2)使其产生的激光光斑尺寸小于5 μm(为获得足够的离子信号,分析实际的激光光斑尺寸约为9 μm),可获得5 μm空间分辨率。组织制备方法、基质应用、取样大小、灵敏度等也影响着MALDI-MSI的空间分辨率和原位分析,近年来已有较多成熟的方法报道,如离子液体基质DHB-BuN(2,5-二羟基苯甲酸丁胺)用于MALDI-MS分析寡糖样品,操作简便,重复性和灵敏度优于固体基质,可用于寡糖的MALDI-MS定量和成像分析;基于离子液体基质(DHB/DMA)和超声喷雾基质覆盖的方法可用于中药和植物中小分子成分的MALDI-MS成像分析,效果良好;新型基质1,5-二氨基萘(DAN)在负模式下分析小分子代谢物和较大脂质有良好效果;“胶带支撑法”比“解冻安装法”更有益于防止分析物迁移等。LI B等还对MALDI-MSI的3种包埋材料和5种安装方法进行了系统的研究和评价,尤其是它们对银杏叶横截面中的5种具有不同亲油性/亲水性的代谢物移位的影响,为叶片组织质谱成像的样品制备提供了方法。可被MALDI电离的化合物类别受所选基质的影响很大,研究发现通过筛选合适纳米颗粒用于电离不同代谢物分析的方法,如基于Fe3O4和TiO2纳米颗粒可有效电离难以用传统有机基质分析的二萜类植保素。此外,有研究提出结合3种质谱技术(LD-ESI,MALDI-MSI和HPLC/ESI-MS)获取复杂生物样品综合信息的方法、无需任何样品预处理的等离子体辅助激光解吸电离质谱成像(PALDI-MSI)技术(原理见图3)、采用激光烧蚀大气压光电离质谱成像(LAAPPI-MSI)同时研究植物组织中极性和非极性化合物分布情况的方法、MeV二次离子质谱(MeV-SIMS)技术分析药用大麻叶的方法[34]、采用激光解吸/电离质谱技术(LDI)结合纳米粒子增强靶同时分析样品横截面几十种代谢产物的简单方法、快速原位检测植物木质素的简单方法[36]、豆类植物根系和根瘤中的代谢物成像方法以及开发低成本低温等离子体电离质谱成像(LTP-MSI)系统的“即插即用”组件用于挥发性和半挥发性代谢物成像等。近期,LIU C等开发了一种解吸电喷雾光电离质谱成像技术(DESI-PI-MSI)用于组织切片中极性和非极性成分同时高灵敏度空间成像。该技术可提高中性物种的检测灵敏度,拓宽了DESI在植物组织MSI中可视化非极性生物分子的适用性,可有效替代中等横向分辨率的MALDI-MSI技术。这些研究为质谱成像更加广泛地应用于药用植物代谢物分布研究提供了很高的参考价值。目前,MSI技术在药用植物代谢产物分布研究中已实现高通量分析、细胞水平上单个分子的成像显示、三维空间分布成像和植株发育过程代谢产物分布动态研究,此外,其还可为代谢产物定位的细胞类型特异性差异提供证据。上述研究结果表明,MSI技术在对药用植物代谢产物分布进行快速无损检测或高通量高分辨率的原位成像方面具有很大潜力。近年来MSI技术用于药用植物代谢产物分布研究的相关成果总结见表1。2.2.2 MSI用于药用植物有效成分在动物体内代谢分布研究
图2 一种改进的光束传输光学原理图[25]表1 MSI在药用植物代谢产物分布方面的应用Table 1 Application of MSI in metabolites distribution of medicinal plants 年份 物种 样品类型 MSI技术和空间分辨率 成像分析物 应用 文献 2016 小麦、大麦 种子 MALDI, 50～100 μm 阿拉伯木聚糖、(1→3),(1→4)-β-葡聚糖 研究不同小麦、大麦品种胚乳中阿拉伯木聚糖和(1→3),(1→4)-β-葡聚糖聚合物关键结构特征的选择性分布 [15] 2015 红果樫木 种子 DESI, 250 μm×250 μm 罗希吐碱 研究红果樫木种子发育过程色酮类生物碱积累的动态规律 [16] 2016 Putterlickia pyracantha 叶、茎、根 MALDI, 40 μm 美登素类化合物 研究P. pyracantha中几种美登素类化合物的空间分布和可能合成途径 [17] 2016 银杏 叶 MALDI, 10 μm 山柰酚-O-芸香糖苷、穗花杉双黄酮、白果素等 银杏中黄酮苷和双黄酮类化合物分布 [18] 2019 草莓 果实 (109AgNPET) LDI, 100 μm×100 μm 醛、酮、醇等32种低相对分子质量代谢物 寻找被测化合物生物学功能与其在果实横切面上位置的相关性 [19] 2017 番茄 果实 MALDI, 50 μm 谷氨酸、腺苷一磷酸、苹果酸等 研究番茄发育过程代谢物分布变化及相关生理变化 [20] 2013 马铃薯银杏草莓 芽叶果实 DESI, 150～200 μm 糖苷生物碱毒素银杏酸和黄酮类化合物糖和花青素 研究通过不同的印迹条件分析各种不规则材料或软材料 [22] 2013 贯叶连翘 叶、花瓣 DESI, 120 μm 金丝桃素、芦丁、伪金丝桃素等 研究采用三元溶剂系统对植物组织代谢物直接成像 [23] 2017 玉蜀黍 叶 MALDI, 5～10 μm 硫酸甘油糖脂、磷脂酰甘油 研究不同基因型玉米叶片发育过程硫酸甘油糖脂、磷脂酰甘油的分布 [24] 2015 玉蜀黍 叶 MALDI, 5 μm 磷酸己糖、己糖、硫酸甘油糖脂等 通过MALDI-linear ion trap-Orbitrap质谱仪对玉米叶代谢物进行亚细胞水平分辨率MALDI-MS成像 [25] 2017 大豆 种子、叶 MALDI, 150 μm 寡糖 研究大豆和豆叶寡糖分布 [26] 2018 桑 叶 MALDI, 80 μm 原儿茶酸、绿原酸、单糖和二糖等小分子 研究桑叶表面及其叶脉切片中小分子质谱成像的样品制备方法 [27] 2014 玉蜀黍 叶 MALDI, 25 μm 苹果酸、谷氨酸、磷酸烯醇丙酮酸等 研究用于小分子代谢产物分析与成像的新型基质 [28] 2017 玉蜀黍 种子 TOF-SIMS 胆碱、磷酸胆碱、棕榈酸、磷脂酰肌醇 防止分析物移位的玉米种子样品制备 [29] 2018 银杏 叶 MALDI, 250 μm×250 μm 二糖、银杏素和3种黄酮苷类化合物 研究叶片组织质谱成像样品制备方法 [21] 2014 葡萄小麦 果实种子 MALDI, 20 μm 飞燕草素-葡萄糖苷、磷脂酰胆碱、精氨酸等脱氧雪腐镰刀菌烯醇 提出一种结合3种质谱方法获取复杂生物样品综合信息的方法 [31] 2014 黄芩 根 PALDI, 60 μm×60 μm 黄芩素、汉黄芩素等 研究黄芩中有效成分的分布 [32] 2014 鼠尾草 叶 LAAPPI, 约400 μm 单萜、倍半萜、极性萜类衍生物 探索LAAPPI-MSI同时研究植物叶片组织中的极性和非极性化合物分布 [33] 2016 大麻 叶 MeV-SIMS, 10 μm×10 μm 钠、钾、大麻素等 MeV-SIMS技术分析药用大麻叶 [34] 2017 大黄 茎 (AuNPET)LDI, 40 μm×40 μm 蒽醌衍生物及其糖苷、二苯乙烯类、花青素等 提出不添加基质、样品制备简单的化合物的空间分布成像方法 [35] 2014 蓝桉、大桉 茎 MALDI 木质素 提出快速原位检测植物木质素的简单方法 [36] 2014 辣椒 果实 LTP, 1 mm 辣椒素 开发了低成本低温等离子体电离质谱成像(LTP-MSI)系统的“即插即用”组件 [38] 2019 茶 叶、茎 DESI-PI 磷酸胆碱、咖啡因、中性儿茶素等 DESI-PI-MSI适用于植物组织中性代谢产物的成像 [39] 2014 洋甘草 根茎 AP-MALDI, 10 μm 黄酮、皂苷 提供了一种能够对植物组织中代谢物进行高通量分析的方案 [40] 2016 芍药 根 AP-SMALDI, 10 μm 没食子单宁、单萜苷、氨基酸等 实现在细胞水平上对单个分子的成像显示 [7] 2017 鼠耳芥 种子 MALDI, 15 μm×15 μm×20 μm 磷脂酰胆碱、磷脂酰肌醇 研究鼠耳芥种子中磷脂酰胆碱、磷脂酰肌醇三维空间分布 [41] 2019 四叶萝芙木 茎、叶、根、果实 DESI, 250 μm×250 μm 吲哚类生物碱 研究四叶萝芙木果实和植株发育过程中吲哚类生物碱的分布 [42] 2017 草莓 果实 MALDI, 70 μm 糖、有机酸、黄酮类化合物 研究黄酮类化合物在草莓果实发育过程中的变化 [43] 2014 大麦 籽粒 MALDI, 30 μm 低聚果糖 研究大麦籽粒发育过程中低聚果糖的时空分布规律 [44] 2014 小麦 籽粒 MALDI, 100 μm 阿拉伯木聚糖、(1→3),(1→4)-β-葡聚糖 研究小麦胚乳发育过程中细胞壁多糖结构和空间分布变化 [45] 2015 亚麻 种子 MALDI, 20 μm 亚麻木脂素、亚麻苦苷、百脉根苷等 研究亚麻木脂素等在亚麻发育过程的积累和分布 [46] 2016 蒺藜苜蓿 根、根瘤 MALDI 数百个内源性肽和蛋白质片段 研究不同发育阶段内源性肽和蛋白质空间分布变化 [47] 2017 雷公藤 根 MALDI 雷公藤红素、雷公藤次碱、去甲泽拉木醛等 研究雷公藤根特殊代谢产物鉴定与定位 [48]
本文编号：2973908
【文章来源】：中国中药杂志. 2020,45(05)北大核心
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
一种改进的光束传输光学原理图[25]
质谱成像技术在药用植物代谢产物分布方面的研究不仅有利于各代谢产物动态积累规律[16]、合成途径[17-18]、位置-功能关系[19]研究,还有助于对药用植物生理变化反应的理解[20]。但是,由于植物组织固有的复杂结构和细胞结构,制备用于MSI的冷冻切片相当困难,对于薄、富水、易碎的叶片样品来说尤其如此[21]。有研究提出简单、快速、无需基质和低温恒温器的印迹取样技术可对非平面或不规则表面进行质谱成像分析,通过溶剂萃取和(或)提高温度可以改善由于样品向表面转移不良而产生的低强度信号[22]。这种方法最主要的缺点是由于细胞在印迹过程中被压扁,空间分布不可避免地被破坏。对此,LI B等提出的三元溶剂系统直接DESI-MSI是一种选择,且该方法比通常用于DESI的二元溶剂系统提供了更高、更稳定的软植物材料信号。这种方法的分辨率只有120 μm,现MALDI-MSI已实现5～10 μm的高空间分辨率,可在单细胞分辨率下揭示多细胞生物体代谢产物。实现MALDI-MSI高空间分辨率的一个重要限制因素是样品表面的激光点的大小,通过修改MALDI-LIT-Orbitrap质谱仪的激光束传输光学器件(原理见图2)使其产生的激光光斑尺寸小于5 μm(为获得足够的离子信号,分析实际的激光光斑尺寸约为9 μm),可获得5 μm空间分辨率。组织制备方法、基质应用、取样大小、灵敏度等也影响着MALDI-MSI的空间分辨率和原位分析,近年来已有较多成熟的方法报道,如离子液体基质DHB-BuN(2,5-二羟基苯甲酸丁胺)用于MALDI-MS分析寡糖样品,操作简便,重复性和灵敏度优于固体基质,可用于寡糖的MALDI-MS定量和成像分析;基于离子液体基质(DHB/DMA)和超声喷雾基质覆盖的方法可用于中药和植物中小分子成分的MALDI-MS成像分析,效果良好;新型基质1,5-二氨基萘(DAN)在负模式下分析小分子代谢物和较大脂质有良好效果;“胶带支撑法”比“解冻安装法”更有益于防止分析物迁移等。LI B等还对MALDI-MSI的3种包埋材料和5种安装方法进行了系统的研究和评价,尤其是它们对银杏叶横截面中的5种具有不同亲油性/亲水性的代谢物移位的影响,为叶片组织质谱成像的样品制备提供了方法。可被MALDI电离的化合物类别受所选基质的影响很大,研究发现通过筛选合适纳米颗粒用于电离不同代谢物分析的方法,如基于Fe3O4和TiO2纳米颗粒可有效电离难以用传统有机基质分析的二萜类植保素。此外,有研究提出结合3种质谱技术(LD-ESI,MALDI-MSI和HPLC/ESI-MS)获取复杂生物样品综合信息的方法、无需任何样品预处理的等离子体辅助激光解吸电离质谱成像(PALDI-MSI)技术(原理见图3)、采用激光烧蚀大气压光电离质谱成像(LAAPPI-MSI)同时研究植物组织中极性和非极性化合物分布情况的方法、MeV二次离子质谱(MeV-SIMS)技术分析药用大麻叶的方法[34]、采用激光解吸/电离质谱技术(LDI)结合纳米粒子增强靶同时分析样品横截面几十种代谢产物的简单方法、快速原位检测植物木质素的简单方法[36]、豆类植物根系和根瘤中的代谢物成像方法以及开发低成本低温等离子体电离质谱成像(LTP-MSI)系统的“即插即用”组件用于挥发性和半挥发性代谢物成像等。近期,LIU C等开发了一种解吸电喷雾光电离质谱成像技术(DESI-PI-MSI)用于组织切片中极性和非极性成分同时高灵敏度空间成像。该技术可提高中性物种的检测灵敏度,拓宽了DESI在植物组织MSI中可视化非极性生物分子的适用性,可有效替代中等横向分辨率的MALDI-MSI技术。这些研究为质谱成像更加广泛地应用于药用植物代谢物分布研究提供了很高的参考价值。目前,MSI技术在药用植物代谢产物分布研究中已实现高通量分析、细胞水平上单个分子的成像显示、三维空间分布成像和植株发育过程代谢产物分布动态研究,此外,其还可为代谢产物定位的细胞类型特异性差异提供证据。上述研究结果表明,MSI技术在对药用植物代谢产物分布进行快速无损检测或高通量高分辨率的原位成像方面具有很大潜力。近年来MSI技术用于药用植物代谢产物分布研究的相关成果总结见表1。2.2.2 MSI用于药用植物有效成分在动物体内代谢分布研究
图2 一种改进的光束传输光学原理图[25]表1 MSI在药用植物代谢产物分布方面的应用Table 1 Application of MSI in metabolites distribution of medicinal plants 年份 物种 样品类型 MSI技术和空间分辨率 成像分析物 应用 文献 2016 小麦、大麦 种子 MALDI, 50～100 μm 阿拉伯木聚糖、(1→3),(1→4)-β-葡聚糖 研究不同小麦、大麦品种胚乳中阿拉伯木聚糖和(1→3),(1→4)-β-葡聚糖聚合物关键结构特征的选择性分布 [15] 2015 红果樫木 种子 DESI, 250 μm×250 μm 罗希吐碱 研究红果樫木种子发育过程色酮类生物碱积累的动态规律 [16] 2016 Putterlickia pyracantha 叶、茎、根 MALDI, 40 μm 美登素类化合物 研究P. pyracantha中几种美登素类化合物的空间分布和可能合成途径 [17] 2016 银杏 叶 MALDI, 10 μm 山柰酚-O-芸香糖苷、穗花杉双黄酮、白果素等 银杏中黄酮苷和双黄酮类化合物分布 [18] 2019 草莓 果实 (109AgNPET) LDI, 100 μm×100 μm 醛、酮、醇等32种低相对分子质量代谢物 寻找被测化合物生物学功能与其在果实横切面上位置的相关性 [19] 2017 番茄 果实 MALDI, 50 μm 谷氨酸、腺苷一磷酸、苹果酸等 研究番茄发育过程代谢物分布变化及相关生理变化 [20] 2013 马铃薯银杏草莓 芽叶果实 DESI, 150～200 μm 糖苷生物碱毒素银杏酸和黄酮类化合物糖和花青素 研究通过不同的印迹条件分析各种不规则材料或软材料 [22] 2013 贯叶连翘 叶、花瓣 DESI, 120 μm 金丝桃素、芦丁、伪金丝桃素等 研究采用三元溶剂系统对植物组织代谢物直接成像 [23] 2017 玉蜀黍 叶 MALDI, 5～10 μm 硫酸甘油糖脂、磷脂酰甘油 研究不同基因型玉米叶片发育过程硫酸甘油糖脂、磷脂酰甘油的分布 [24] 2015 玉蜀黍 叶 MALDI, 5 μm 磷酸己糖、己糖、硫酸甘油糖脂等 通过MALDI-linear ion trap-Orbitrap质谱仪对玉米叶代谢物进行亚细胞水平分辨率MALDI-MS成像 [25] 2017 大豆 种子、叶 MALDI, 150 μm 寡糖 研究大豆和豆叶寡糖分布 [26] 2018 桑 叶 MALDI, 80 μm 原儿茶酸、绿原酸、单糖和二糖等小分子 研究桑叶表面及其叶脉切片中小分子质谱成像的样品制备方法 [27] 2014 玉蜀黍 叶 MALDI, 25 μm 苹果酸、谷氨酸、磷酸烯醇丙酮酸等 研究用于小分子代谢产物分析与成像的新型基质 [28] 2017 玉蜀黍 种子 TOF-SIMS 胆碱、磷酸胆碱、棕榈酸、磷脂酰肌醇 防止分析物移位的玉米种子样品制备 [29] 2018 银杏 叶 MALDI, 250 μm×250 μm 二糖、银杏素和3种黄酮苷类化合物 研究叶片组织质谱成像样品制备方法 [21] 2014 葡萄小麦 果实种子 MALDI, 20 μm 飞燕草素-葡萄糖苷、磷脂酰胆碱、精氨酸等脱氧雪腐镰刀菌烯醇 提出一种结合3种质谱方法获取复杂生物样品综合信息的方法 [31] 2014 黄芩 根 PALDI, 60 μm×60 μm 黄芩素、汉黄芩素等 研究黄芩中有效成分的分布 [32] 2014 鼠尾草 叶 LAAPPI, 约400 μm 单萜、倍半萜、极性萜类衍生物 探索LAAPPI-MSI同时研究植物叶片组织中的极性和非极性化合物分布 [33] 2016 大麻 叶 MeV-SIMS, 10 μm×10 μm 钠、钾、大麻素等 MeV-SIMS技术分析药用大麻叶 [34] 2017 大黄 茎 (AuNPET)LDI, 40 μm×40 μm 蒽醌衍生物及其糖苷、二苯乙烯类、花青素等 提出不添加基质、样品制备简单的化合物的空间分布成像方法 [35] 2014 蓝桉、大桉 茎 MALDI 木质素 提出快速原位检测植物木质素的简单方法 [36] 2014 辣椒 果实 LTP, 1 mm 辣椒素 开发了低成本低温等离子体电离质谱成像(LTP-MSI)系统的“即插即用”组件 [38] 2019 茶 叶、茎 DESI-PI 磷酸胆碱、咖啡因、中性儿茶素等 DESI-PI-MSI适用于植物组织中性代谢产物的成像 [39] 2014 洋甘草 根茎 AP-MALDI, 10 μm 黄酮、皂苷 提供了一种能够对植物组织中代谢物进行高通量分析的方案 [40] 2016 芍药 根 AP-SMALDI, 10 μm 没食子单宁、单萜苷、氨基酸等 实现在细胞水平上对单个分子的成像显示 [7] 2017 鼠耳芥 种子 MALDI, 15 μm×15 μm×20 μm 磷脂酰胆碱、磷脂酰肌醇 研究鼠耳芥种子中磷脂酰胆碱、磷脂酰肌醇三维空间分布 [41] 2019 四叶萝芙木 茎、叶、根、果实 DESI, 250 μm×250 μm 吲哚类生物碱 研究四叶萝芙木果实和植株发育过程中吲哚类生物碱的分布 [42] 2017 草莓 果实 MALDI, 70 μm 糖、有机酸、黄酮类化合物 研究黄酮类化合物在草莓果实发育过程中的变化 [43] 2014 大麦 籽粒 MALDI, 30 μm 低聚果糖 研究大麦籽粒发育过程中低聚果糖的时空分布规律 [44] 2014 小麦 籽粒 MALDI, 100 μm 阿拉伯木聚糖、(1→3),(1→4)-β-葡聚糖 研究小麦胚乳发育过程中细胞壁多糖结构和空间分布变化 [45] 2015 亚麻 种子 MALDI, 20 μm 亚麻木脂素、亚麻苦苷、百脉根苷等 研究亚麻木脂素等在亚麻发育过程的积累和分布 [46] 2016 蒺藜苜蓿 根、根瘤 MALDI 数百个内源性肽和蛋白质片段 研究不同发育阶段内源性肽和蛋白质空间分布变化 [47] 2017 雷公藤 根 MALDI 雷公藤红素、雷公藤次碱、去甲泽拉木醛等 研究雷公藤根特殊代谢产物鉴定与定位 [48]
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