結合QCL紅外技術的多模態質譜成像
2024-08-05
空間組學技術（Spatial-Omics）是近年來興起的一種新型分析策略，自其誕生以來，備受關注。隨著其熱度的升高， 2022年的《Nature》雜志將空間組學技術列為“最值得關注的七大技術”之一，進一步凸顯出其在學術界的地位和受認可度。在空間組學概念的加持之下，逐漸形成了以質譜成像技術為核心的空間組學實驗方案。
順應空間組學發展的新趨勢，布魯克推出了空間組學質譜儀 – timsTOF fleX，它同時具備MALDI質譜成像功能和基于LC-MS/MS的4D-組學分析功能，可在一臺儀器上同時實現空間組學工作流程所需的兩大核心步驟。這臺儀器還可以搭配一系列的選配功能模塊，如MALDI-2、microGRID等，可以進一步提升其分析維度和分析精度。
圖1. 布魯克timsTOF fleX空間組學質譜儀
MALDI-2 技術
MALDI-2 是布魯克首次推出的、可商業化的二次離子電離技術。首先進行常規MALDI離子化，之后用第二束激光照射未電離的中性分子、以促使其進一步發生電離，從而有效地提高了離子化效率。與傳統MALDI技術相比，MALDI-2使生物分子的檢測靈敏度呈現1-3個數量級的提升。MALDI-2技術有效地拓展了原位質譜技術可覆蓋化合物的類型，提升了timsTOF fleX質譜成像的分析維度和覆蓋深度。
圖2. 布魯克MALDI-2激光后電離技術
microGRID 技術
在進行高空間分辨質譜成像實驗時，由于采樣面積的急劇縮小，激光束的移動精度對于最終成像熱圖的分辨精度有著舉足輕重的影響。布魯克的microGRID技術可將MALDI平臺的移動精度提高到亞微米級，對激光束在在組織表面5-25 μm格柵的定位做實時校準，有效地消除了質譜成像熱圖中常出現的條帶狀痕跡（stripping）、過度采樣（oversampling）、偽影（artifact）等問題，極大地改善了成像熱圖的分辨精度。
圖3. 布魯克microGRID選配模塊
結合QCL紅外技術多模態質譜成像實驗方案
針對高空間分辨成像實驗中整體工作效率偏低這一問題，布魯克于今年推出了“結合QCL紅外技術的多模態質譜成像實驗方案”，它以QCL（量子聯機激光器）紅外成像技術為先導，以超快的成像采集速度、對大塊的組織切片進行高分辨的紅外成像采集，之后依據組織中分子的紅外吸收譜峰特征做空間聚類分析，找出感興趣的目標區域，再針對該區域進行高分辨的MALDI質譜成像數據采集，有效地減少了冗余數據的采集，極大地提升了亞細胞分辨成像實驗的整體工作效率。
圖4. 多模態成像方案的工作流程
圖5展示的是利用“結合QCL紅外技術的多模態質譜成像實驗方案”、對胰腺癌腫瘤移植模型小鼠的胰腺組織的分析流程和實驗結果。整塊胰腺組織切片的大小約為2.4cm×1cm，若將其劃分為5μm×5μm的采樣格柵，所對應的像素點超過1000萬個。面對這樣龐大的成像采集任務，QCL紅外技術僅需21分鐘即可完成整塊組織切片的數據采集。此外，基于QCL紅外譜峰的segmentation（空間區域分割）可提供精準的病理區域邊界信息。結合該信息，再利用timsTOF fleX進行7μm空間分辨率的質譜成像數據采集，實現了從病理區域到特征性標志物的分子信息挖掘。
圖5. 胰腺癌腫瘤移植模型小鼠的多模態成像分析案例
布魯克的timsTOF fleX質譜儀以其綜合性的功能集成及優異分析性能，已成為空間組學研究領域重要的研究工具。選配模塊MALDI-2和microGRID的引入，將空間組學的分辨精度向亞細胞乃至細胞水平進一步推進。為了改善高空間分辨實驗中工作時長過長的問題，布魯克于今年推出了“結合QCL紅外技術的多模態質譜成像方案”，通過將紅外成像與質譜成像聯合使用，兩者優勢互補，一方面提高了高分辨實驗的整體工作效率；另一方面，將多個模態 (維度) 的數據有機地整合在一起、做協同分析，為深入探討科學議題背后的生物學意義奠定了堅實的基礎。
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