【摘要】 DESI-MS成像已成功用于分析生物组织切片，允许有效解吸和电离脂质和代谢物，包括乳腺癌，卵巢癌，脑癌，和其他癌症的诊断。

质谱法成像是直接从组织样本研究分子物种空间分布的有力工具。基质辅助激光解吸/电离(MALDI)是应用最广泛的MS成像技术，已被广泛探索用于成像和表征来自生物组织切片的代谢物，脂质和蛋白质。环境电离质谱技术已经越来越多地用于生物组织成像，因为它们允许在开放环境中以最小的样品制备要求进行分析，这对临床应用具有吸引力。解吸电喷雾离子法(DESI)质谱成像，例如，是最广泛使用的环境电离质谱技术，已被广泛用于组织成像。

 

DESI-MS成像已成功用于分析生物组织切片，允许有效解吸和电离脂质和代谢物，包括乳腺癌，卵巢癌，脑癌，和其他癌症的诊断。虽然通常用于小分子分析，少数研究描述了优化DESI-MS的蛋白质分析从非生物底物。例如，DESI-MS最近被用于从平面表面解吸天然构象的膜蛋白。然而，大分子的低效解吸和复杂组织基质产生的化学噪声阻碍了DESI-MS直接从生物组织切片中检测蛋白质。

 

最近，使用液体提取技术的环境电离质谱，如纳米喷雾解吸电喷雾离子法(nano-DESI)，液体提取表面分析(LESA)，和液体微结合表面取样探针(LMJ-SSP)，被应用于来自生物组织切片的蛋白质图像。在后两项研究中，蛋白质分析通过将离子迁移率分离整合到工作流程中得到了加强，从而允许蛋白质离子的选择性传输并降低了质谱中的化学噪声。在这里，我们描述了用于蛋白质分析的DESI-MS成像的优化以及DESI与用于从生物组织切片成像蛋白质的高场不对称波形离子迁移率(FAIMS)装置的进一步耦合，表明这种方法可以用于各种生物医学应用中的自顶向下的蛋白质组学研究。

 

我们首先评估了用有机溶剂洗涤步骤对增强蛋白质检测的有效性，这通常在MALDI-MS成像实验中进行，以去除可能影响蛋白质解吸和电离效率的内源性脂质和生物盐。详细方法载于证明资料内。使用纯ACN作为溶剂和典型的DESI-MS脂质成像参数，在未洗涤的小鼠肾组织切片上以正离子模式进行DESI-MS成像。鉴定为三酰甘油和甘油磷酸胆碱的离子在高相对丰度下被检测到(图1a)，而多电荷蛋白质离子未被观察到。

 

接下来，先前报道的具有0.2%甲酸的ACN-H2O(80.20)(v/v)的溶剂体系通过nanDESI增强蛋白质解吸，以5μL/min的流速用于分析未洗涤的组织切片。除了在低丰度下被暂时鉴定为蛋白质种类的多电荷离子外，在高相对丰度下还检测到类似的脂质种类(图1b)。然后在相邻的小鼠肾组织切片上进行脂质洗涤步骤，然后在相同参数下进行DESI-MS成像分析(图1c)。虽然洗涤步骤有效地去除脂质，但所获得的质谱显示多个带电离子的总离子丰度较低。

 

以往的研究表明，DESI-MS对载玻片上蛋白质标准物质的解吸取决于喷雾角度和喷雾到表面的距离。因此，我们通过将角度，喷雾到样品距离和样品到入口距离分别调整到55°，3.5mm和2.5mm来优化DESI喷雾参数用于蛋白质检测。性能通过m/z938.117的总离子丰度的改善来评估，后来确定为具有天冬酰胺的α-珠蛋白蛋白形式与赖氨酸取代。

 

尽管在小鼠肾组织中以不同的喷雾到样品和样品到入口距离检测到蛋白质离子，但是使用55°以外的喷雾角度在S/N=3以上未检测到蛋白质，表明蛋白质解吸和检测比其他源参数更强烈地依赖于喷雾角度。在这些优化的参数下，用S/N=27.9(平均n=3个组织切片，n=3个线/组织切片，n=20个质谱/线)以及10个其他不同的蛋白质种类(图1d)检测α-珠蛋白蛋白形式。

 

图1(a)未洗涤的小鼠肾组织切片获得的代表性正离子模式 DESI 质谱，使用脂质 DESI-MS 参数和纯 ACN 作为溶剂系统，(b)未洗涤,使用以 ACN-H2O 80.20(v/v)和0.2% 甲酸为溶剂的脂质 DESI-MS 参数，(c)洗涤，使用脂质 DESI-MS 参数和以0.2% 甲酸为溶剂的 ACN-H2O 80.20(v/v) ，(d)洗涤,使用蛋白质 DESI-MS 参数和含有0.2% 甲酸的 ACN-H2O 80.20(v/v)作为溶剂，并且(e)洗涤，使用蛋白质 DESI-FAIMS-MS 参数和含有0.2% 甲酸的 ACN-H2O 80.20(v/v)作为溶剂。质谱是平均25次扫描。(f)来自小鼠肾组织切片的 m/z 938.117的组织上 UVPD 质谱(平均 n = 80质谱)。报道了被鉴定为 α-珠蛋白蛋白形式的蛋白质离子的 PCS、 P 评分和序列覆盖率。

 

我们描述了成功的优化 DESI 蛋白质检测和进一步耦合到 FAIMS 设备的蛋白质成像直接从生物组织切片。在优化的蛋白质传递参数下添加 FAIMS 可以降低质谱噪声和背景离子的传递，从而提高蛋白质离子的信噪比，改善成像对比度和质量。进一步利用 UVPD 和 CID 技术对 DESI-MS 检测到的大量蛋白质离子进行组织内自上而下的蛋白质鉴定。

 

虽然这项研究显示了一个值得注意的进展 DESI-MS 成像，它代表了向深入组织蛋白质组学应用的第一步。检测到的大多数蛋白质种类在生物组织中高度丰富，如血红蛋白和 S100蛋白。因此，需要额外的优化来提高低丰度蛋白质的解吸效率。尽管 DESI-MS 成像的蛋白质覆盖率仍然远远低于通过传统的组织提取物和 MALDI-MS 成像工作流程的 LC-MS/MS 实现的覆盖，但是以最小的样品制备和环境条件快速成像来自组织切片的完整蛋白质的能力表明 DESI-MS 作为自上而下的蛋白质组学的有希望的工具，具有潜在的应用在癌症成像和诊断中。

 

1.Kyana Y. Garza, Clara L. Feider, Dustin R. Klein, Jake A. Rosenberg, Jennifer S. Brodbelt, and Livia S. Eberlin, Analytical Chemistry 2018 90 (13), 7785-7789, DOI: 10.1021/acs.analchem.8b00967.

 

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