空間糖組學(xué)：開啟精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的“糖密碼”

2025-03-26

引言

空間蛋白質(zhì)組學(xué)（spatial proteomics）被Nature Methods雜志評為 “2024年度技術(shù)”，為蛋白質(zhì)組學(xué)在精準(zhǔn)醫(yī)療中的應(yīng)用提供了有力的空間信息支撐。這一技術(shù)在揭示復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，幫助我們深入了解生物分子、細胞、組織、器官和生物體如何連接、組織和發(fā)揮功能，成為推動健康與疾病研究的重要工具。

基于MALDI的質(zhì)譜成像技術(shù)（MALDI-MSI）在拓展空間多組學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有極其重要的意義，MALDI-MSI技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)生物樣本的高分辨率質(zhì)譜成像，空間分辨率最高可達5μm，能夠同時檢測多種分子，包括小分子代謝物、脂質(zhì)、多肽、蛋白質(zhì)等。這種高分辨率和多分子檢測能力使得MALDI-MSI成為研究生物組織中分子空間分布和相互作用的強大工具。

圖1：基于MALDI的空間多組學(xué)技術(shù)

空間糖組學(xué)作為空間蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的進一步延伸，可以從空間的維度、研究蛋白質(zhì)糖基化在生命活動中的重要作用，比如細胞間相互作用、信號傳導(dǎo)、細胞外基質(zhì)組織和炎癥反應(yīng)等?？臻g糖組學(xué)的前景誘人，但是發(fā)展較為緩慢，這主要是由于與蛋白質(zhì)連接的聚糖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性造成的。與由DNA為模板合成的蛋白質(zhì)和核酸不同，聚糖的生物合成是沒有模板的，是相互關(guān)聯(lián)的生物合成途徑的產(chǎn)物，同時受到環(huán)境和遺傳的影響。另一方面，聚糖的化學(xué)構(gòu)成/結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了其較低的質(zhì)子親和能力，其電離效率不如同時含有正離子和負離子結(jié)構(gòu)的蛋白/多肽，從而對儀器的靈敏度提出了更高的要求。

圖2：糖基化成像技術(shù)揭示糖苷的在腫瘤組織區(qū)域的特異性

美國南卡羅萊納醫(yī)科大學(xué)的Richard Drake教授及其課題組開拓性地實現(xiàn)了在組織上對PNGase釋放的聚糖進行成像[1]，檢測到豐富的聚糖信號，且不同聚糖的分布和病理狀態(tài)具有高度相關(guān)性。Veli?kovi?等優(yōu)化了PNGase原位酶解的孵育條件，測試了各種鹽的飽和溶液對酶解產(chǎn)率的影響，發(fā)現(xiàn)在保持89%相對濕度的飽和KNO₃溶液中能獲得最佳性能。最后，他們利用MALDI技術(shù)對腎切除組織切片進行質(zhì)譜成像分析，在35μm的空間分辨率的情況下，實現(xiàn)了高達100個聚糖信號的注釋[2]。這充分顯示了MALDI質(zhì)譜成像在空間糖組學(xué)研究方面的優(yōu)越性，它必將成為空間糖組學(xué)的 “研究利器”。

圖3. 直腸癌組織中6種N-糖的MALDI空間成像結(jié)果。通過MALDI成像實驗，從結(jié)直腸癌標(biāo)本原位可以檢測到幾百個N-糖分子信號，其中超過100個N-聚信號與布魯克的N-聚糖數(shù)據(jù)庫相匹配。圖中的6種N-糖分子在腫瘤的區(qū)域具有顯著的高表達，其中在腫瘤細胞表面呈現(xiàn)高表達的是高甘露糖分子。

圖4. 直腸癌組織的N-聚糖成像和H&E染色的共定位分析結(jié)果。m/z 2053.815對應(yīng)的四元N-糖主要分布于結(jié)腸癌的粘液瘤區(qū)域，而 m/z 1688.647對應(yīng)的平分型N-乙酰葡萄糖胺則主要存在于上皮隱窩細胞區(qū)域，與文獻報道結(jié)果相一致[3]，而m/z 2122.810和m/z 2448.852的聚糖主要存在于腫瘤基質(zhì)區(qū)域。此外，更復(fù)雜的巖藻糖基化 N-糖分子（m/z 2742.983）與典型的B細胞標(biāo)記物CD20呈現(xiàn)出“空間共定位”的特征。

布魯克質(zhì)譜空間糖組學(xué)解決方案

鑒于聚糖成像在疾病，尤其是腫瘤的發(fā)生、發(fā)展及預(yù)后研究中的重要作用，布魯克公司生命科學(xué)質(zhì)譜部開發(fā)了基于MALDI成像技術(shù)的完整空間糖組學(xué)解決方案，該方案不僅包含了用于常規(guī)質(zhì)譜成像的質(zhì)譜儀(包括neofleX, rapifleX, MRMS, timsTOF fleX, timsTOF fleX MALDI-2等)、成像采集軟件(flexImaging)、成像數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件(SCiLS Lab)、糖蛋白分析軟件(Biopharma Compass)、基質(zhì)噴霧儀、基質(zhì)(MALDI fleXmatrix)、導(dǎo)電載玻片(IntelliSlides)等，為客戶迅速建立空間糖組學(xué)實驗流程提供了強有力的保障。

圖5. 多組學(xué)與空間組學(xué)一體化平臺

參考文獻

[1] Colin T. McDowell, Xiaowei Lu, Anand S. Mehta, Peggi M. Angel, Richard R. Drake, Applications and Continued Evolution of Glycan Imaging Mass Spectrometry, Mass Spectrometry Review, 2023 42(2), 674–705

[2] Du?an Veli?kovi?*, Kumar Sharma, Theodore Alexandrov, Jeffrey B. Hodgin and Christopher R. Anderton, Controlled Humidity Levels for Fine Spatial Detail Information in Enzyme-Assisted N-Glycan MALDI MSI, J. Am. Soc. Mass Spectrom., 2022, 33(8), 1577–1580

[3] Drake RR, Powers TW, Jones EE, Bruner E, Mehta AS, Angel PM (2017), Adv Cancer Res, 134:85. https://doi.org/10.1016/bs.acr.2016.11.009.

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