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靈思生物金蟲 (正式寫手)
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空間代謝組學(xué)：解鎖生命代謝的“空間密碼
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空間代謝組學(xué)：解鎖生命代謝的“空間密碼 代謝組學(xué)（Metabolomics）是系統(tǒng)生物學(xué)的重要分支之一，是專用來研究生物體內(nèi)小分子代謝物的關(guān)鍵技術(shù)；它幫助我們更直觀有效地理解代謝物的組成、動態(tài)變化及其與生理/病理過程的聯(lián)系。然而，傳統(tǒng)代謝組學(xué)有一個重大局限——勻漿提取過程丟失了代謝物在組織中的空間分布信息。 空間代謝組學(xué)（Spatial Metabolomics）的誕生，彌補了這一缺陷。空間代謝組學(xué)整合質(zhì)譜成像(Mass spectrometry imaging, MSI)和代謝組學(xué)(Metabolomics)技術(shù)，對動/植物組織中內(nèi)源性代謝物及外源藥物等分子的種類、含量和空間分布進行精準(zhǔn)測定，擴展了代謝組信息維度，讓我們不僅能知道“有哪些代謝物”，還能精確回答“它們分布在哪兒”。這項技術(shù)正在癌癥研究、生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)、疾病研究、藥物研發(fā)、植物研究等領(lǐng)域掀起一場新的科技革命。今天，我們就來深入了解一下空間代謝組學(xué)的技術(shù)、應(yīng)用及未來趨勢�？臻g代謝組學(xué)的技術(shù)原理、流程及優(yōu)勢 實驗原理質(zhì)譜成像(Mass spectrometry image, MSI)是一項結(jié)合質(zhì)譜分析及二維空間成像于一體的新型分子成像技術(shù)，是空間代謝組學(xué)的核心工具，既可定量檢測，亦可定性分析�；|(zhì)輔助激光解吸/電離 (Matrix-assisted laser desorption/ionization , MALDI) 質(zhì)譜成像的基本原理是將待測物分散在基質(zhì)分子中形成共結(jié)晶（利用基質(zhì)分子吸收激光能量以防止多余能量直接作用在待測物分子使其發(fā)生碎片）；采用激光束激光照射晶體，由于基質(zhì)分子經(jīng)輻射吸收能量，導(dǎo)致蓄積并迅速產(chǎn)熱，使基質(zhì)晶體升華；基質(zhì)和分析物膨脹進入質(zhì)量分析器，從而獲得樣本表面各像素點離子的質(zhì)荷比和離子強度，與質(zhì)譜成像軟件結(jié)合，繪制出對應(yīng)分子在樣本表面的分布圖。 技術(shù)優(yōu)勢： 具有MALDI/ESI雙離子源，并可通過軟件自動切換；獨特的TIMS富集離子淌度功能，提供復(fù)雜樣本分離新維度；20um空間分辨率，識別組織微區(qū)；首次把離子淌度融入質(zhì)譜成像，可識別內(nèi)源性代謝物、脂類等異構(gòu)體和同素異質(zhì)分子。 空間代謝組學(xué)的技術(shù)應(yīng)用 癌癥研究 01腫瘤代謝異質(zhì)性研究MSI提供高度詳細的代謝物圖，可揭示腫瘤內(nèi)不同區(qū)域的代謝特征，闡明代謝異質(zhì)性與腫瘤進展的關(guān)系。腫瘤異質(zhì)性是導(dǎo)致藥物敏感性差異和治療效果受限的關(guān)鍵因素，MSI技術(shù)通過同步獲取藥物分布、代謝轉(zhuǎn)化及內(nèi)源代謝物的空間信息，不僅能闡明藥物作用機制，更能推動精準(zhǔn)給藥系統(tǒng)的優(yōu)化，為克服腫瘤異質(zhì)性帶來的治療挑戰(zhàn)提供創(chuàng)新解決方案[1]。 02癌癥惡病質(zhì)的器官間代謝調(diào)控Sun[2]等人利用空間代謝組學(xué)研究人類癌癥惡病質(zhì)中多器官間的代謝互作機制，發(fā)現(xiàn)了惡病質(zhì)伴隨系統(tǒng)性代謝紊亂，建立了基于器官特異的血清診斷標(biāo)志物，為這一多器官綜合征的機制研究和無創(chuàng)診斷提供了新策略。 03腫瘤微環(huán)境（TME）代謝互作通過空間代謝組學(xué)聯(lián)合空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)解析發(fā)現(xiàn)部分癌細胞在原位癌區(qū)發(fā)生上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(pEMT)，揭示pEMT轉(zhuǎn)化細胞通過分泌膠原重塑腫瘤微環(huán)境；同時空間代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域存在獨特的磷脂代謝特征，證實了腫瘤-基質(zhì)代謝共生，為理解腫瘤代謝微環(huán)境互作提供了新見解[3]。 神經(jīng)疾病研究 空間代謝組學(xué)可精確定位阿爾茨海默病腦內(nèi)Aβ斑塊、神經(jīng)遞質(zhì)和脂質(zhì)的含量、空間分布，在腦微區(qū)域中發(fā)現(xiàn)功能失調(diào)的代謝產(chǎn)物，提供該疾病代謝相關(guān)的空間信息[4]。也可以用來可視化治療藥物的作用部位和代謝調(diào)控機制，例如通過空間代謝組學(xué)觀察并分析得到紫檀茋治療顯著降低了MCAO大鼠皮層中的腐胺和N1-乙酰-精胺水平[5]。 植物研究 空間代謝組學(xué)為研究植物生長發(fā)育、脅迫響應(yīng)和代謝調(diào)控提供了空間分辨的新視角，例如實現(xiàn)水稻根中多種激素的空間成像，揭示鹽脅迫下大麥根系脂質(zhì)重分布，定位番茄根系線蟲感染相關(guān)代謝物，還發(fā)現(xiàn)番茄維生素D合成新途徑，推動植物代謝組學(xué)進入"可視化"時代[6]。 空間代謝組學(xué)正以前所未有的精度，揭示生命活動的代謝密碼。突破傳統(tǒng)代謝分析的空間盲區(qū)，建立“代謝地理學(xué)”新范式，也催動了新型科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)。從癌癥的精準(zhǔn)治療到作物的高效育種，從神經(jīng)退行性疾病的機制探索到創(chuàng)新藥物的研發(fā)，它的影響力正在迅速擴大。未來，隨著單細胞技術(shù)、AI算法、原位檢測方法的進步，我們有望繪制出完整的人體/生物代謝圖譜，真正實現(xiàn)“代謝組學(xué)的GPS導(dǎo)航”。 [1] Zhou Y, Jiang X, Wang X, et al. Promise of spatially resolved omics for tumor research [J]. J Pharm Anal, 2023, 13(8): 851-861. [2] Sun N, Krauss T, Seeliger C, et al. Inter-organ cross-talk in human cancer cachexia revealed by spatial metabolomics [J]. Metabolism, 2024, 161: 156034. [3] Zhi Y, Wang Q, Zi M, et al. Spatial transcriptomic and metabolomic landscapes of oral submucous fibrosis-derived oral squamous cell carcinoma and its tumor microenvironment [J]. Adv Sci (Weinh), 2024, 11(12): e2306515. [4] Zhang M, Niu H, Li Q, et al. Active compounds of panax ginseng in the improvement of alzheimer's disease and application of spatial metabolomics [J]. Pharmaceuticals (Basel), 2023, 17(1). [5] Ban W, Jiang X, Lv L, et al. Illustrate the distribution and metabolic regulatory effects of pterostilbene in cerebral ischemia-reperfusion rat brain by mass spectrometry imaging and spatial metabolomics [J]. Talanta, 2024, 266(Pt 2): 125060. [6] Yu X, Liu Z, Sun X. Single-cell and spatial multi-omics in the plant sciences: Technical advances, applications, and perspectives [J]. Plant Commun, 2023, 4(3): 100508. |
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