阿爾茨海默癥腦組織基質輔助激光解吸電離質譜成像分析研究新進展

張陽陽　韓超　趙鎮文

摘?要?阿爾茲海默癥（Alzheimer's disease， AD）是影響全球數百萬人并與年齡有關的神經退行性疾病，但確切病因仍不清楚。基質輔助激光解吸電離質譜成像（MALDI MSI）分析技術不僅可進行物質鑒定，而且可對被分析物進行空間分布成像，近年來廣泛應用于AD腦組織中淀粉樣蛋白和脂質的分布研究，以探索該疾病的機理。本文介紹了基質輔助激光解吸電離質譜成像（MALDI MSI）的原理、方法學以及在AD疾病機制方面的相關研究進展，并對其發展前景進行了展望。

關鍵詞?阿爾茲海默癥; 基質輔助激光解吸電離質譜成像; 評述

1?引 言

阿爾茲海默癥（Alzheimer's disease， AD）是一種神經退行性疾病， 以中年和老年人的認知能力下降為主要特征。隨著全球老齡化進程加快，AD發病率近年來不斷增加。據2010年AD發病統計，全球大約3560萬人患有AD，據估計到2050年，全球AD發病人數將高達1.15億[1]。

AD類型多樣，具有散發型和家族型兩種形式。絕大多數患者屬于散發型或遲發性癡呆的家族型（晚于65歲），其余少數患者屬于早發性癡呆的家族型（大約30～65歲），并且表現出不同的癥狀。家族型患者在編碼β?淀粉樣蛋白（β?amyloid， Aβ）的淀粉樣前體蛋白（Amyloid precursor protein，APP）、早老素1和2（Presenilin， PSEN1/2）3種基因之一時具有突變：其中早老素分泌酶復合體催化亞基的組分，負責APP的切割和Aβ的形成。散發型AD的起源復雜，涉及多種遺傳和環境影響因素，如攜帶載脂蛋白的E?ε4等位基因、線粒體功能障礙、頭部損傷或腦血液屏障受損等[2]。

盡管AD是老年癡呆最常見的形式，并影響全球數百萬人，但這種疾病的確切病因仍不清楚。罕見的AD家族型遺傳學證據證明了Aβ斑塊積聚是疾病起源的假說，這是淀粉樣蛋白β級聯假說的基礎，是過去三十余年AD研究的中心理論[3]。根據該假設，最開始是Aβ沉積，這足以觸發AD病理和臨床變化的級聯反應，即老年斑和神經原纖維纏結形成，以及隨后的神經元死亡、血管損傷和癡呆癥狀。Aβ肽包含約40個氨基酸，并由APP通過β?和γ?分泌酶產生。雖然Aβ1?42在老年斑中占優勢，但其它Aβ變體（包括N末端或C末端修飾的Aβ）也存在于AD患者腦組織中。單個Aβ肽在老年人以及AD患者腦組織中的分布目前尚未完全清楚。因此，對AD患者腦組織中重要物質的差異性分布實現原位成像，將有利于AD病理機制的研究。

質譜成像技術能夠精確、快速識別具有不同表達水平的特定蛋白質的細胞，能夠確定患病器官和正常器官中不同部位（包括腫瘤部位）的特定蛋白質的位置及相對濃度，能夠跟蹤包括癌癥在內的多種疾病的治療藥物及其代謝產物的空間分布，因而在了解組織病理特征、疾病診斷、藥物療效及發現生物標志物等方面可能成為一種強有力的全新研究工具[4～9]。此外，通過比較正常與疾病組織的物質分布，質譜成像技術可在腫瘤早期診斷、預后評估等臨床應用中扮演重要角色。本文概述了基質輔助激光解吸電離質譜成像的原理、方法學，以及該技術在阿爾茨海默病腦組織中成像等方面的研究進展。

2?基質輔助激光解吸電離質譜成像原理及方法

基質輔助激光解吸電離質譜成像（Matrix assisted laser desorption ionization mass spectrometry imaging，MALDI MSI）技術最早由Caprioli等[10]于1997年提出，通過將MALDI質譜離子掃描技術與專業圖像處理軟件結合，直接分析生物組織切片，產生任意指定質荷比（m/z）化合物的二維離子密度圖（Two?dimensional ion density maps），對組織中化合物的組成、相對豐度及分布情況進行高通量、全面、快速的分析[11，12]（圖1）。相較于LC?MS方法，MALDI MSI無需對樣品進行萃取、純化、分離等復雜的前處理，并且保留了物質的原位信息，這些特點使得MALDI MSI分析方法在生物標志物的識別、代謝機理的研究、刑事科學及食品科學等領域均有著廣泛的應用前景。

2.1?MALDI MSI原理

基質輔助激光解吸電離質譜（MALDI MS）是20世紀80年代末由Karas和Hillenkamp引入的一種軟電離質譜技術， 能夠快速分析高分子量的物質， 無碎片或只有少量碎片， 具有很高的檢測精度和靈敏度， 是一種重要的高通量的生物分析工具[13]。它的工作原理是：當用一定強度的激光（355 nm）照射樣品與基質形成的共結晶薄膜時， 基質從激光中吸收能量，提供卷流， 將樣品分子送入氣相， 樣品分子得到基質提供的電荷或反應離子從而發生電離， 根據不同的質荷比（m/z）進行檢測可得到樣品的分子量。

MALDI MSI是在專門的質譜成像軟件控制下完成的。首先定義圖像的尺寸，根據尺寸大小將圖像均分為若干點組成的二維點陣（如6000個點/100 μm），激光束通過這個光柵圖案照射到靶盤上的組織切片，軟件開始采集質譜數據[14]。在每個點上，所有質譜數據經平均化處理獲得一幅代表該區域內化合物分布情況的完整質譜圖。設定m/z的范圍，并選定峰高或峰面積代表化合物的相對豐度，計算機虛擬掃描質譜數據，便可形成該組織切片的二維離子密度圖像，并用亮度強弱（黑白成像）或不同彩色圖案（彩色成像）代表豐度[4，15]。

2.2?組織切片技術

為了獲得最佳效果的圖像，組織切片的優劣是關鍵的影響因素。切片制備需要滿足以下條件：防止形成冰晶，維持化合物的空間排布，避免分析物的移位和降解;避免切片打卷、起皺褶;適宜的切片厚度。在組織切片前，切除的新鮮組織立即置于液氮中冷凍2～3 min后，轉移至80℃保存直至使用。使用液氮迅速降溫可通過最大冰晶生成帶，從而有效減少冰晶的形成。切割平臺的溫度根據組織類型保持在5～25℃之間，如高脂肪含量的組織就要求更低的溫度[16]。冰凍樣品保存或進行冰切時，還應盡量避免溫度波動（特別是18℃以上的溫度波動，避免發生重結晶;冰切過程中，若樣品含水量較高，則盡量避免冰切溫度高于18℃）。切片厚度一般為10 μm，保證質譜分析時足夠的組分濃度[17～19]。在進行樣品制備、質譜分析時，建立穩定的實驗過程和良好的對照是必要的，從而保證獲得可比較的空間圖像。

2.3?基質的選擇和噴涂方式

基質的選擇是MALDI質譜實驗成功的關鍵，在實驗中選擇何種基質進行樣品分析依賴于所分析的樣品（如樣品的種類、質量大小及性質等），選擇合適的基質體系對于直接組織分析，獲得高質量、高靈敏的圖譜尤為關鍵。需要滿足的基本條件包括：基質可與組織表面分子形成良好的共結晶;能提供目標分子的高效離子化能力。以蛋白質等大分子為分析對象時，常用Sinapinic acid （3，5?dimethoxy?4?hydroxycinnamic acid， SA）作為基質，而在分析多肽類小分子時，常用a?Cyano?4?hydroxycinnamic acid（CHCA），針對組織表面的藥物小分子或代謝小分子等的分析，也有研究者選用2，5?二羥基苯乙酮（2，5?Dihydroxyacetophenone， DHA）[20～23]、9?氨基吖啶（9?Aminoacridine，9?AA） [24～28]、1，5?萘乙二胺（1，5?Diaminonapthalene， DAN）[29]、2，5?二羥基苯甲酸（2，5?Dihydroxybenzoic acid，DHB）[30，31]、2?巰基苯并噻唑（2?Mercaptobenzothiazole，2?MBT）[32]、蒽三酚（Dithranol， DT）[33]和槲皮素（Quercetin）[34]等作為基質。Wang等[35]研究發現，羥基黃酮類化合物可作為基質進行MALDI MSI分析，在正離子模式下，該類物質對磷脂類小分子具有很好的解析能力，其中1種化合物槲皮素可從鼠腦組織組織切片中解析到212種脂質，顯著優于常用的有機小分子基質DHB、CHCA和MBT等，并且該類物質還具有易于形成均勻結晶薄層、真空條件下穩定、自身信號低、用量少等優點;Nie課題組[36～40]近年來在研究中發現，萘的衍生物二氨基萘及其鹽酸鹽和N?（1?萘基）乙二胺及其鹽酸鹽或硝酸鹽作為基質在負離子模式下對小分子化合物具有很好的解析能力。此外，對基質體系進行優化可改善結晶狀況，使樣品有效解吸電離，增強質譜信號，進而提高分析靈敏度、分辨率和重復性等。如Schwartz等[41]對基質體系的溶劑進行考察，以SA為基質，改變基質溶劑，使其中的有機溶劑分別為30%、50%和70%時，發現當溶劑中含50%有機相時，組織表面的結晶更加均勻;同樣以SA為基質，改變有機溶劑的組成，如乙醇、甲醇、乙腈等，發現當有機相為乙醇時，可得到更均勻的結晶和更強的信號。另外，考察基質體系中三氟乙酸（TFA）的濃度發現，TFA的含量在0.3%～1.0%之間，較有利于組織表面分子的離子化。相對于有機小分子基質， 無機納米材料基質本身不易電離，近年來越來越多的無機納米材料如硅材料、碳材料以及金屬材料等被用于小分子化合物的MALDI MSI分析。二氧化鈦納米顆粒 （TiO2NPs）具有對紫外光強吸收的特點，Shrivas等[42]以其為基質，結果顯示，正離子模式下，TiO2NPs對于低分子量區域（<500 Da）的物質具有非常強的解析能力。 Wu等[5]利用多巴胺包被TiO2，大大提高了TiO2的基質性能，使得部分化合物的檢測限降低了10～30倍。使用這種新方法，超過100種分子（包括氨基酸、生物堿、游離脂肪酸、肽和脂質）得到了很好的質譜成像結果。Horatz等[43]發現共軛聚合物具有優異的基質性能，并且可實現溶液加工，涂覆成薄膜，從而大大減少了基質的用量，解決了基質噴涂不均一的問題，且該類聚合物在正負離子模式下都顯示出非常好的電離能力。另外，Chen等[44]研究發現，碳納米管作為基質在負離子檢測模式下對于小分子物質（如脂肪酸、氨基酸、多肽等）具有很強的解析能力，對于硬脂酸的檢出限可達到0.2 fmol。雖然無機納米材料基質表現出優于傳統有機小分子基質的諸多特性，但無機納米材料的性質與其制備方法、尺寸等密切相關，因此在使用該類材料作為基質時必須考慮重復性的問題。總體而言， 基質的選擇和優化都需要根據分析的組織和目標分子進行優化和選擇。

目前，常用的基質噴涂方式按機理的不同主要有三類：噴槍法、升華法、自動噴霧法。其中，噴槍法是操作最為簡單、效率最高的基質噴涂方式，但是受人為操作因素影響較大，重復性差;升華法可制備均勻的基質結晶薄層，但要求基質在真空條件下具有一定的揮發性; 自動噴霧法是目前應用最廣泛、發展最活躍的一種基質噴涂方式，相較于前兩種方式，具有基質結晶較為均勻、自動化程度高、適應性強等優點，幾乎所有的基質都可使用該種方法并可獲得比較理想的噴涂效果，也是商業化的基質噴涂裝置常用的噴涂方式。Gemperline等[45]的研究表明，在MALDI MSI分析中，自動噴霧法制備樣品的成像分辨率和重現性均優于噴槍法，升華法是其中成像分辨率最高和重現性最好的基質噴涂方法，但檢測到脂質的種類最少;Guo等[46]的研究表明，在負離子模式下，利用高壓電噴霧的方法進行NEDC（N?（1?萘基）乙二胺鹽酸鹽）噴涂，能夠顯著增強對小分子代謝物質（如脂肪酸、核苷類物質等）的檢測靈敏度。Li等[12]利用自制高壓電噴霧的新型裝置可有效控制基質的晶型，用于9?AA、CHCA、MBT及無機納米材料TiO2NPs等的噴涂，進行鼠腦組織中脂質成像時可獲得較高的分辨率和清晰度（圖2）。

3?MALDI MSI在阿爾茨海默病腦組織中成像的應用

近年來，MALDI MSI被廣泛用于阿爾茨海默病腦組織成像，研究內容包括AD小鼠模型中淀粉樣蛋白Aβ的分布、AD小鼠模型中脂質的分布、人類AD患者腦組織中淀粉樣蛋白Aβ和脂質的分布。

3.1?AD小鼠模型中Aβ的分布

MALDI MSI對AD有貢獻的研究最初由Stoeckli等[47]建立，采用新鮮冷凍APP23轉基因小鼠的大腦組織切片，這是一種經常使用的基于人淀粉樣前體蛋白（APP）過表達而表現出瑞典型突變的AD模型[48，49]。APP23轉基因小鼠顯示，6個月后，在皮質和海馬中出現第一個淀粉樣蛋白的沉積物[49];此外，過度磷酸化的tau蛋白僅位于嗜剛性的斑塊中。因此，這種小鼠模型是理想的研究過表達Aβ的AD模型的候選模型。此外，使用芥子酸作為基質，適于MALDI質譜鑒定對應于Aβ的m/z。將Aβ（1?37， 1?38， 1?39， 1?40和1?42）的MALDI MSI與用NT11抗血清進行免疫染色的切片比較，Aβ1?40和免疫染色信號的特征可在空間上合理匹配，證明了淀粉樣蛋白Aβ1?40的殘留[50]。

3.2?AD小鼠模型中脂質的分布

Hong等[51]進一步研究了5XFAD小鼠中磷脂的變化。這些家族性阿爾茨海默病（FAD）模型老鼠展示了淀粉樣蛋白前體蛋白中的3個突變型（瑞典型、佛羅里達型和倫敦型）和Presenilin1的兩個突變（M146L和L286V）型。這些小鼠在2個月后反映出快速發展的Aβ1?42的大量沉積、p25和神經元的過度表達[52]。在3只3個月和9個月老鼠的新鮮冷凍腦組織切片上進行MALDI MSI，并與年齡匹配的對照樣進行比較，使用CHCA?DHB（1∶1，V/V）混合液作為基質，在陽離子和陰離子模式下，橫向分辨率為150 μm時，發現腦組織區域首先積累淀粉樣斑塊，并且額葉皮質中磷脂32∶0 PC和下托管中32∶0 PC、34∶1 SM和34∶1 PC的豐度明顯降低，而16∶0 LPC在9個月的5XFAD小鼠額皮質和下丘腦組織中均增加[18]。但是，共定位染色沒有顯示淀粉樣斑塊的這些特征。

Zhang等[53]研究發現，利用MALDI MSI對鼠腦組織中的神經節苷脂進行原位成像質譜分析時，在負離子模式下，3?氨基喹啉是最適合對神經節苷脂檢測的基質，并且應用70%乙醇和95%乙醇對鼠腦組織切片進行預處理，可使成像信號增強。最后，在最適宜的條件下，對AD模型鼠腦組織中的神經節苷脂進行了成像。與正常鼠腦組織相比，AD模型鼠腦組織右腦組織中神經節苷脂大量減少，小腦組織中神經節苷脂幾乎消失，免疫染色結果發現，這兩個部位出現Aβ沉積，推測這可能是由于Aβ沉積與不飽和的神經節苷脂反應造成的（圖3）。該實驗結果為研究老年癡呆癥的發病機理研究提供了新的視角。

3.3?人類AD患者腦組織中Aβ和脂質的分布

Rohner等[54]對AD患者的腦組織進行質譜成像分析，從質譜圖中挑選出2個高表達的信號峰，其中m/z 4330.9的多肽集中分布于顱頂骨、枕骨的皮質突出部;m/z 4515.1的多肽集中分布于海馬區域。與正常組織成像相比，具有明顯的空間特異性分布。進一步鑒定這兩種蛋白，發現它們都為Aβ淀粉樣多肽，其中m/z 4330.9為Aβ1?40多肽，m/z 4515.1為Aβ1?42多肽。而AD的病理特征之一是在老年斑和血管壁上出現這些β淀粉樣多肽的沉積物，因此研究者推測這些多肽在腦組織組織中的出現可能與阿爾茨海默病的發病機制有關。

Kakuda等[55]采用MALDI MSI檢測一系列Aβ肽類在尸檢人腦組織中的空間分布。通過一些技術上的改進（如對冰凍腦組織標本進行甲酸預處理），獲得如下結果： （1） Aβ1?42和Aβ1?43選擇性沉積于老年斑SP中，全長的Aβ肽（如Aβ1?36、1?37、1?38、1?39、1?40和Aβ1?41）則沉積于軟腦組織膜血管中; （2）采用MALDI MSI觀察到N末端截短的Aβ1?40和Aβ1?42（包括第3位谷氨酸被焦谷氨酸修飾）的差異性沉積; （3） Aβ1?42和Aβ1?41之間僅C末端單一氨基酸的改變即可導致它們分布方式的巨大差異，這或許是由于Aβ1?40、Aβ1?41和Aβ1?42之間在體外自聚集能力的差異。使用新研制的Aβ1?41抗體的免疫組織化學進一步驗證這些結果， 采用MALDI MSI觀察到，Aβ肽類截短或修飾的C末端和N末端片段在AD患者腦組織中的差異性分布呈現時空特異性。特別是，MALDI MSI和IHC均檢測到Aβ1?41，表明僅改變Aβ的C末端一個氨基酸，即可導致顯著的分布變化

雖然MALDI MSI常用于蛋白質和肽分析，但也可檢測脂質分布的變化。Yuki等[56]研究了死后人腦組織中的鞘脂硫酸鹽的羥基化和非羥基化的物種的分布。有研究表明，硫苷脂（鞘脂的主要成分）的減少是潛在的早期AD病理特征，可能是在疾病中發現的皮質去鞘脂和少突膠質細胞變性的一種潛在的分子機制[57]。與健康控制組大腦組織相比，在白色到灰質的邊界，AD大腦組織羥基化與非羥基化的鞘脂硫酸鹽物種比率不同[56]。雖然結果需要進一步完善和確定， 但以上這些結果表明，通過羥基化生成鞘脂硫酸鹽的機制是AD中鞘脂硫酸鹽異常的基礎。

隨后，Yuki等[58]對含有磷脂酰膽堿的二十二碳六烯酸的種類（DHA?PC）在AD患者腦組織中和正常對照組的分布進行了比較（空間分辨率： 50 μm）。 受AD影響的大腦組織顳葉、頂葉和額葉部位的灰質中16∶0/22∶6 DHA?PC和18∶0/22∶6 DHA?PC的相對強度較低，而16∶0/16∶0 DHA?PC的相對強度沒有改變（圖4）。此外，還確定了18∶0/22∶6 DHA?PC的減少與AD疾病持續時間及早期的死亡年齡相關[59]， 推測是由于DHA?PC的裂解產物可作為抗凋亡因子。 因此，AD患者腦組織中DHA?PC強度較低會影響神經細胞死亡[60]。

4?總結與展望

結合臨床、遺傳和病理學觀察，MALDI MSI檢測到淀粉樣蛋白Aβ及部分脂質在小鼠AD模型和人類AD患者腦組織中的分布，但由于其它含量豐富的物質的干擾及其自身復雜的結構，使得AD中Aβ蛋白和脂質的研究仍充滿挑戰。未來，隨著新型基質的不斷開發、新的樣品制備方法的涌現、儀器性能的不斷改進和提高， MALDI MSI技術可作為深入了解AD病理機制的有效方法，為Aβ和脂質在AD腦組織中的精確分布及兩者之間相互作用對AD發生和發展的影響的研究提供支持。

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Research Progress of Matrix Assisted Laser Desorption Ionization

Mass Spectrometry Imaging of Alzheimer's Disease Brain

ZHANG Yang?Yang*1， HAN Chao1，2， ZHAO Zhen?Wen*1，2

1（Institute of Chemistry， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）

2（University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract?Alzheimer's disease （AD） is an age?related neurological disorder， affecting millions of people around the world， but the exact cause of the disease remains unclear. Matrix assisted laser desorption ionization mass spectrometry imaging （MALDI MSI） analysis technology not only enables material identification， but also spatially images the analytes. In recent years， MALDI MSI technique has been widely applied to the study of the distribution of β?amyloid （Aβ） and lipid in AD brain tissue. The principle， methodology of MALDI MSI and related research progress of the mechanism of AD treatment were reviewed in this paper， and the prospects for its development were also anticipated.

Keywords?Alzheimer's disease; Matrix assisted laser desorption ionization mass spectrometry imaging; Review