質(zhì)譜成像（MSI）：天然產(chǎn)物藥物研發(fā)新視角
天然產(chǎn)物（Natural products, NPs）及其衍生物是新藥研發(fā)的重要源泉，對疾病的預(yù)防和治療具有至關(guān)重要的作用。NPs 新藥開發(fā)包括兩個(gè)關(guān)鍵方面：一個(gè)是從藥用植物或微生物中發(fā)現(xiàn) NPs，另一個(gè)是在不同的生理和病理狀態(tài)下對體內(nèi)的 NPs 進(jìn)行評估。NPs 在藥用植物、微生物以及生物體內(nèi)的異質(zhì)分布為藥物開發(fā)提供了豐富的信息資源。
目前能夠無標(biāo)記地同時(shí)檢測數(shù)千種化合物的分子成像技術(shù)還相對稀缺。然而，質(zhì)譜成像（Mass Spectrometry Imaging, MSI）技術(shù)在過去二十年中取得了顯著的進(jìn)步和多樣化發(fā)展，這使得它在藥用植物或微生物中 NPs 的發(fā)現(xiàn)以及體內(nèi) NPs 研究中的應(yīng)用變得可行。MSI 技術(shù)能夠在無需標(biāo)記的情況下，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)和分配的眾多分子的原位空間映射，為 NPs 的研究提供了一種強(qiáng)有力的可視化工具。
因此，這篇綜述探討了 MSI 技術(shù)在藥用植物中 NPs 發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用，并從新藥研究與開發(fā)（Research & Development, R&D）的角度，評估體內(nèi) NPs 的臨床前研究。文章還簡要回顧了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量 MSI 結(jié)果所需考慮的關(guān)鍵因素，并對未來 MSI 技術(shù)在新藥 R&D 領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
2022年10月，中國科學(xué)院上海藥物研究所果德安/吳婉瑩課題組在 Acta Pharmacologica Sinica（APS） 上發(fā)表了題為“Mass spectrometry imaging: new eyes on natural products for drug research and development”的綜述文章，中國科學(xué)院上海藥物研究所侯晉軍高級工程師為該文章的第一作者。文章從藥物研發(fā)角度總結(jié)了質(zhì)譜成像技術(shù)在天然產(chǎn)物體外和體內(nèi)異質(zhì)性分布研究中的應(yīng)用，希望 MSI 技術(shù)能在天然藥物新藥開發(fā)方面提供突破，并對質(zhì)譜成像技術(shù)在新藥研發(fā)方面的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。
圖1. 質(zhì)譜成像通過可視化藥用植物和體內(nèi)的分子空間異質(zhì)空間分布促進(jìn)NPs的發(fā)現(xiàn)及其臨床前研究。
01 MSI可以通過可視化NPs在藥用植物中的異質(zhì)性分布來促進(jìn)NPs的發(fā)現(xiàn)
NPs 主要源自藥用植物和微生物的次級代謝產(chǎn)物，以及某些初級代謝產(chǎn)物。在藥用植物中，NPs 的分布通常表現(xiàn)出異質(zhì)性。MSI 技術(shù)以其直觀性，能夠無標(biāo)記地揭示藥用植物中初級和次級代謝物的空間分布，為新藥開發(fā)中 NPs 的發(fā)現(xiàn)提供了重要視角。以下是 MSI 技術(shù)在藥用植物中發(fā)現(xiàn) NPs 的三個(gè)主要應(yīng)用方面的詳細(xì)討論：
1.1 優(yōu)化NPs的提取方法：
① NPs 主要來源于藥用植物的次級代謝物和部分初級代謝物，其在植物中的分布具有異質(zhì)性。
② MSI 技術(shù)能夠無標(biāo)記地、高空間分辨率地展示藥用植物中初級和次級代謝物的空間分布。
③ 這項(xiàng)技術(shù)有助于識別 NPs 富集的植物部位，從而為優(yōu)化提取方法提供依據(jù)。
1.2 提高藥用植物中NPs的含量：
① NPs 的產(chǎn)生受其生物合成途徑和植物與環(huán)境相互作用的影響。
② MSI 技術(shù)通過探索這兩個(gè)方面，有助于發(fā)現(xiàn)增加特定 NPs 生物合成和生產(chǎn)的方法。
1.3 發(fā)現(xiàn)新的NPs：
① 傳統(tǒng)的液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）技術(shù)可能無法檢測到某些 NPs，特別是那些在樣品制備過程中被高豐度化合物掩蓋或發(fā)生變化的化合物。
② MSI 技術(shù)通過原位分析組織切片樣本，能夠檢測到這些天然成分的自然富集，從而有可能發(fā)現(xiàn)新的成分。
在過去五年中，MSI 技術(shù)已被應(yīng)用于多種藥用植物的研究，包括穗花牡荊、銀杏、貫葉金絲桃、沉香、姜黃、長春花、丹參等，顯示了 MSI 技術(shù)在藥用植物研究中的廣泛應(yīng)用。MSI 技術(shù)不僅為理解藥用植物中 NPs 的生成過程提供了直觀的分析手段，而且有助于發(fā)現(xiàn)新 NPs 以及優(yōu)化 NPs 的提取，從而可能促進(jìn)新藥的開發(fā)（如圖2所示）。
圖2. 質(zhì)譜成像在藥用植物/微生物天然產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)中的應(yīng)用。
02 MSI可以通過可視化體內(nèi)異質(zhì)性NPs的空間分布來促進(jìn)藥物研發(fā)
在獲得具有生物活性的 NPs 之后，MSI 技術(shù)可以在臨床前研究中發(fā)揮重要作用，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：
2.1 ADME和PK-PD研究：
① MSI 技術(shù)能夠提供化合物在體內(nèi)的直接空間分布，有助于直觀分析 NPs 的空間異質(zhì)性及其 ADME 特性。
② 可以建立 NPs 與內(nèi)源性藥效生物標(biāo)志物之間的空間關(guān)聯(lián)性，為理解藥物作用機(jī)制提供新視角。
③ MSI 的無標(biāo)記特性使其能夠直接反映藥物在體內(nèi)的實(shí)際分布，包括皮膚和腸道吸收過程，以及多個(gè)代謝物的空間分布信息。
2.2 療效和安全性評估：
① MSI 技術(shù)通過高空間分辨率的分布圖，有助于揭示藥物的“治療異質(zhì)性”，從而提高藥效和毒性評估的準(zhǔn)確性。
② 分析藥物在靶器官的分布，可以更好地理解藥效異質(zhì)性，預(yù)測藥物的潛在療效或毒性。
③ MSI 技術(shù)的應(yīng)用有助于發(fā)現(xiàn)藥物在體內(nèi)的理想分布，以及可能的藥效或毒性相關(guān)的器官。
2.3 藥物修飾、制劑優(yōu)化和納米材料選擇：
① MSI 技術(shù)可以直觀展示化學(xué)修飾、制劑優(yōu)化或納米材料選擇后藥物的靶向分布，為藥物開發(fā)提供直接證據(jù)。
② 金屬納米材料在藥物制劑中的重要性日益增加，MSI 技術(shù)能夠利用其自身特性，監(jiān)測并分析其在體內(nèi)的空間分布。
綜上所述，MSI 技術(shù)通過可視化 NPs 在體內(nèi)的空間分布，為藥物的 ADME 特性分析、療效和毒性評估以及藥物的化學(xué)修飾和制劑優(yōu)化提供了一種強(qiáng)有力的工具。這些應(yīng)用不僅有助于深入理解藥物的作用機(jī)制，還推動了新藥的臨床前研究和開發(fā)進(jìn)程。
圖3. 質(zhì)譜成像在藥物開發(fā)ADME和PK-PD研究中的應(yīng)用。
圖4. 質(zhì)譜成像在藥物療效和毒性分析的準(zhǔn)確性、可預(yù)測性以及化學(xué)修飾和劑型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
03 總結(jié)與展望
MSI 技術(shù)作為一種強(qiáng)大的可視化分析工具，因其能夠無標(biāo)記地展示組織空間中上千分子的分布，對 NPs 的研究及其在疾病干預(yù)中的應(yīng)用具有獨(dú)特價(jià)值。隨著 MSI 技術(shù)的不斷進(jìn)步，為了獲得高質(zhì)量的 MSI 研究結(jié)果，研究者需要考慮以下關(guān)鍵因素：
① 研究模式的選擇：MSI 研究可分為發(fā)現(xiàn)驅(qū)動模式和驗(yàn)證驅(qū)動模式。發(fā)現(xiàn)驅(qū)動模式側(cè)重于提出新的科學(xué)假設(shè)，而驗(yàn)證驅(qū)動模式則側(cè)重于直接展示目標(biāo)分析物的空間分布。研究者應(yīng)根據(jù)研究目標(biāo)選擇適當(dāng)?shù)哪Ｊ剑⒗斫獠煌瑯颖局苽洹㈦x子源和質(zhì)譜儀器可能對結(jié)果產(chǎn)生的影響。
② 樣本制備的重要性：樣本制備是 MSI 中至關(guān)重要的步驟，包括選擇合適的樣本組織類型、組織切片的獲取方法、切片處理方法、衍生化方法（如果需要），以及基質(zhì)的選擇和應(yīng)用。
③ 組織切片的獲取：不同類型的樣本（如植物、動物和臨床樣本）需要特定的切片方法。例如，植物樣本可能使用印跡方法，而動物和臨床樣本則使用冷凍切片。
④ 切片處理方法：包括通過預(yù)處理改變組織表面的成分，以增強(qiáng)或改變組織表面的成分，以及引入內(nèi)標(biāo)以提高質(zhì)量校準(zhǔn)或定量的準(zhǔn)確性。
⑤ 樣本衍生化：衍生化可以增強(qiáng)難以電離化合物的電離效率，并幫助區(qū)分具有 C=C 雙鍵位置的脂質(zhì)異構(gòu)體。
⑥ 基質(zhì)選擇和噴霧策略：對于需要基質(zhì)輔助的離子源，如 MALDI，需要在切片表面引入特定的有機(jī)酸作為基質(zhì)。
⑦ 離子源的選擇：離子源的選擇應(yīng)基于研究的假設(shè)和目的，包括激光基、液體基和離子簇基離子源。
⑧ 質(zhì)譜儀器的影響：不同的質(zhì)譜儀器在質(zhì)量分析范圍、靈敏度和質(zhì)量分辨率方面存在差異，選擇合適的儀器對 MSI 分析至關(guān)重要。
⑨ 離子遷移的應(yīng)用：離子遷移分析可以提供額外的分離維度，有助于區(qū)分具有相同 m/z 值的異構(gòu)體，并提高低豐度離子的鑒定效率。
⑩ 平衡空間分辨率、質(zhì)量分辨率、靈敏度和數(shù)據(jù)采集時(shí)間：研究者需要根據(jù)不同的分析目的，合理選擇空間分辨率，以平衡質(zhì)譜分辨率、靈敏度和數(shù)據(jù)采集時(shí)間。
總結(jié)來說，作者強(qiáng)調(diào)了在 MSI 研究中，從研究模式的選擇、樣本的制備和處理、離子源和質(zhì)譜儀器的選擇，到數(shù)據(jù)分析的策略，每一個(gè)步驟都需要仔細(xì)考慮和優(yōu)化，以確保研究結(jié)果的質(zhì)量和可靠性。
文獻(xiàn)地址：
https://www.nature.com/articles/s41401-022-00990-8
「科瑞恩特」獨(dú)家代理質(zhì)譜成像離子源
科瑞恩特在大中華區(qū)獨(dú)家代理的兩款質(zhì)譜成像離子源，均可搭載Thermo ScientificTM Q ExactiveTM或Obitrap ExplorisTM系列質(zhì)譜儀。
AP-SMALDI 5AF高分辨自動聚焦3D快速質(zhì)譜成像系統(tǒng)，常壓操作環(huán)境，空間分辨率可達(dá)到3μm，獨(dú)特3D檢測模式可以檢測凹凸不平的樣品表面，快速檢測模式可達(dá)18pixel/s，全像素檢測大大提高檢測靈敏度，高空間分辨率和高質(zhì)量分辨率使樣本中的分子化合物達(dá)到最佳成像效果。
MALDI ESI InjectorTM 透射式超高分辨質(zhì)譜成像系統(tǒng)，可以同時(shí)搭載MALDI離子源與ESI離子源，既可用于傳統(tǒng)LC-MS/MS實(shí)驗(yàn)，也可用于質(zhì)譜成像檢測，通過雙離子漏斗接口實(shí)現(xiàn)離子源快速切換，無需拆卸，操作便捷，并且接口可以進(jìn)一步升級為MALDI-2和t-MALDI檢測，大大提高空間分辨率和檢測靈敏度。
