醫學研究部蛋白質體核心團隊

瀚盟科技股份有限公司 賴若馨專員

空間多體學技術能在組織微結構中取得特定位置的多層次分子資訊 (圖一)，將傳統 bulk 實驗與單細胞實驗策略所得到的數據相互串聯。透過對各種分子在空間中精確分布的量測，不僅能了解細胞群落彼此之間的交互作用，也能更全面地理解各種細胞的訊息傳導及代謝路徑的變化。藉此，能更深入地剖析細胞間微環境如何在不同生理或病理條件下交互影響，進而推論各種生物過程或疾病狀態的發生與演進機制。

圖一、利用MALDI質譜影像技術於組織樣本中，解析多種分子空間分布示意圖。

MALDI 質譜影像技術介紹

MALDI 質譜影像技術是實現空間多體學的其中一項新興技術。基質輔助雷射脫附游離 (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization, MALDI) 由 Hillenkamp 與 Karas 於 1987 年提出，並在隨後三十多年間迅速發展。將這種游離方式結合飛行時間質譜 (Time-of-Flight, TOF) 所形成的 MALDI-TOF 技術，能快速且可靠地偵測各類生物分子，為生物醫學研究帶來嶄新的分析角度。相較於其他質譜分析技術，MALDI-TOF 操作簡便，故近年來在生物標誌物鑑定、微生物鑑定以及化合物分析等應用領域蓬勃發展，也日益受到臨床檢測的重視。

在 MALDI-TOF 技術問世後，美國 Vanderbilt University 的 Richard Caprioli 於 1990 年代中期，開始將此質譜分析技術與雷射掃描結合，發展出分子成像技術。透過在冷凍組織切片上噴灑基質，再使用 MALDI-TOF 對整片樣本進行掃描，即可獲得多種生物分子在組織中的空間分布資訊  (圖二) [1]。這對許多傳統免疫化學無法涵蓋的樣本尤其適用，宛如為生物組織提供了一個「化學顯微鏡」，大幅拓展了組織學研究的深度與廣度。

圖二、MALDI質譜影像技術工作流程。

MALDI 質譜影像技術是一項強大的分析工具，能夠同時解析從小分子的代謝物到大分子的蛋白質在薄層樣品上的分布情形。一次實驗即可同時捕捉數百種分子的空間位置，包括蛋白質、代謝物、脂質和醣類等。此外，這些影像也能與組織切片的光學掃描結果對照，協助研究人員更精準地判斷目標分子的位置與組織結構之間的關係，為空間多體學研究提供了更完整且多層次的資訊。

MALDI 質譜影像的應用

●病理研究

MALDI 質譜影像常被應用於病理研究。以Doshisha University的 Masaya Ikegawa 教授為例，他利用 MALDI 影像質譜來探討不同阿茲海默症患者的各種 Amyloid β (Aβ) 片段在大腦中的空間分布。根據圖三 A 的結果，Aβ1–42 與 Aβ1–43 主要沉積於老年斑 (senile plaques, SP)，而 Aβ1–36、1–37、1–38、1–39、1–40 與 Aβ1–41 則集中於軟腦膜血管 (leptomeningeal blood vessels)。更進一步的分析顯示，僅管 Aβ1–42 與 Aβ1–40 在序列上只差兩個胺基酸，卻足以造成沉積分布的顯著變化，而且此差異與 Aβ 分子 N 端前四個胺基酸的調控有關 (圖三 B) [2]。

圖三、MALDI 質譜成像提供阿茲海默氏症患者的大腦中，各種Amyloid β片段的沉積狀況。

●藥物研發

MALDI 質譜影像近年來在藥物研發領域的應用日益受到重視。傳統的安全性與有效性評估多仰賴測量動物模型或人體血漿中的原型藥物，但研究顯示，藥物常在生物體內呈現不均勻分布，且不僅存在於血漿之中；同時，其代謝產物對藥理學與毒理學的影響也不容忽視。傳統的 LC-MS 分析方式通常需要先將檢體均質化、萃取，再進行測定，導致空間資訊無法被保留下來，甚至可能因混合或稀釋效應而使局部區域的目標分子濃度低於偵測極限。相較之下，MALDI 質譜影像則能以空間定位的方式直接偵測藥物及其代謝物在組織中的分布情形，為藥物開發帶來了重要優勢。

圖四顯示了 GSK 公司Steve Castelino 在 2011 年的研究成果：他透過 MALDI 質譜影像結合組織染色，針對 lapatinib 及其主要代謝物在組織樣品中的分布與定量結果進行分析 (圖四 A)。結果顯示，兩個 lapatinib 的代謝物(GW006 與 M2) 在肝臟組織中呈現截然不同的空間分布 (圖四 B)，而另一個主要代謝物 M10 亦與原型藥物有明顯差異 (圖四 C)。將這些分布結果與 H&E 染色影像比對發現，M10 僅出現在組織發炎區域，顯示此代謝物與發炎狀態之間可能存在直接關聯 (圖四 D) [3]。透過這種「圖像化」的方式，研究人員得以更準確地瞭解藥物在生物組織內的動態分布，進而協助判斷藥物的療效與安全性。

圖四、利用 MALDI 質譜影像技術結合組織染色，揭示藥物及其代謝物在各種器官中的分布情形。

●生物標誌物

此外，MALDI 質譜影像技術也廣泛應用於尋找新的疾病生物標誌物，特別是在癌症研究領域。以直腸癌為例，研究人員利用 MALDI 質譜影像技術，同時分析並繪製六種 N-glycans 的質譜圖譜及其在腫瘤組織樣本中的空間分布。結合組織染色結果發現：其中的tetraantennary的 N-glycan (以紫色表示) 主要存在於mucinous tumor region，而N-acetylglucosamine glycans (以淺藍色表示) 則集中在epithelial crypt cell region。另外，綠色和深藍色代表的兩種 N-glycans 主要位於腫瘤基質區域；至於帶有fucosylated的 N-glycan (以黃色表示) 則與 B cell marker-CD20 的分布高度重疊 (圖五) [4]。這些發現顯示，MALDI 質譜影像技術能夠直觀呈現各種分子在組織樣本中的實際空間分布，進而促進對不同生物標誌物的深入且廣泛研究。

圖五、利用MALDI質譜影像技術分析六種N-glycans在大腸癌組織樣本中的圖譜與成像分布。

透過 MALDI 質譜影像技術，研究者能以少量且珍貴的生物樣本，快速且高通量地取得涵蓋多層次 OMICS 的豐富數據。此技術仍在持續發展，可望展現令人期待的強大功能。蛋白質體核心也將持續關注這項技術的進展，期待能進一步拓展院內空間多體學的研究。

參考文獻

1. Stoeckli, M et al. (2001) Nature medicine, 7(4), 493–496. DOI: 10.1038/86573.

2. Kakuda, Nobuto et al. (2017) Acta neuropathologica communications, 5(1), 73. DOI: 10.1186/s40478-017-0477-x.

3. Castellino, Stephen et al. (2011) Bioanalysis, 3(21), 2427–2441. DOI: 10.4155/bio.11.232.

4. Drake, R R et al. (2017) Advances in cancer research, 134, 85–116. DOI: 10.1016/bs.acr.2016.11.009.

TOP  　

---