CN111579633A - 一种基于原位衍生化的脂肪酸maldi质谱成像方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于原位衍生化的脂肪酸MALDI质谱成像方法及其应用，属于质谱检测技术领域。所述方法至少包括：将衍生化试剂溶液、催化剂溶液喷涂到制备的组织切片表面，置于含有饱和有机溶剂气体的密闭环境中进行衍生化反应，反应结束后得到脂肪酸衍生化产物；将衍生化后的组织切片进行基质喷涂，然后进行MALDI质谱成像分析。本发明能够有效提高组织中脂肪酸的检测灵敏度，实现生物组织中脂肪酸与磷脂酰胆碱、溶血磷脂酰胆碱、胆碱、肉碱等代谢物的同时可视化分析，因此具有良好的实际推广应用之价值。

Description

一种基于原位衍生化的脂肪酸MALDI质谱成像方法及其应用
技术领域
本发明属于质谱检测技术领域，涉及一种可在正离子模式下高灵敏检测生物组织中脂肪酸空间分布的MALDI质谱成像方法，具体涉及一种基于原位衍生化的脂肪酸MALDI质谱成像方法及其应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
脂肪酸作为一类重要的机体内源性代谢物，除了是细胞膜、线粒体膜和质膜等生物膜脂质的主要组成分子外，还可以广泛的参与机体能量代谢、信号传导等生物学过程。对异质性生物组织中脂肪酸分子进行原位分析，掌握机体生理和病理条件下脂肪酸分子的空间分布和变化特征，对于增进我们对脂肪酸分子的生物学作用的认识具有重要的意义。
Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization(MALDI)质谱成像技术可以对生物组织中脂质、多肽、蛋白等分子进行原位分析。目前，有研究采用MALDI质谱成像技术在负离子检测模式下对生物组织一些含量高的脂肪酸进行原位检测。但是由于一些脂肪酸在生物组织中含量较低，难以采用MALDI质谱成像技术进行原位分析。此外，磷脂酰胆碱、溶血磷脂酰胆碱、胆碱、肉碱等代谢物与脂肪酸在机体代谢通路上密切相关。例如，脂肪酸与胆碱一起参与机体磷脂酰胆碱、溶血磷脂酰胆碱的合成与代谢；肉碱是脂肪酸β氧化供能的关键调节因子。而由于脂肪酸在正离子检测模式下的质谱响应极低，因此难以实现与磷脂酰胆碱、溶血磷脂酰胆碱、胆碱、肉碱等代谢物的同时测定。
衍生化技术可通过化学反应将特定官能团引入到目标化学物上，将其转化成另一易于分析检测的化合物，提高检测灵敏度和选择性。脂肪酸含有羧基(-COOH)基团，有研究通过酰胺化反应在脂肪酸分子上引入正离子检测模式下易离子化的氨基，进而采用液质联用技术进行检测。但是发明人发现，与基于液质联用的衍生化反应不同，基于MALDI质谱的原位衍生化反应发生在组织表面，还要满足以下2点要求：1)反应条件温和、易操作；2)不干扰其他代谢物的检测。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种基于原位衍生化的脂肪酸MALDI质谱成像方法及其应用，本发明基于一种新的衍生化试剂应用于原位衍生化技术的脂肪酸MALDI质谱成像，显著提高了组织中脂肪酸的检测灵敏度，实现生物组织中脂肪酸与磷脂酰胆碱、溶血磷脂酰胆碱、胆碱、肉碱等代谢物的同时可视化分析，因此具有良好的实际推广应用之价值。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
本发明第一个方面，提供一种基于原位衍生化技术的脂肪酸MALDI质谱成像方法，所述方法至少包括：
将衍生化试剂和催化剂喷涂到组织切片表面，置于含有饱和有机溶剂气体的密闭环境中进行衍生化反应，反应结束后得到脂肪酸衍生化产物；
将上述衍生化处理后的组织切片进行基质喷涂，然后进行MALDI质谱成像分析。
所用的衍生化试剂是N，N，N-三甲基-2-(哌嗪-1-基)乙烷-1-碘化铵，其结构式如式(I)所示：
Figure BDA0002513263660000031
所用的催化剂是HBOt(1-羟基苯并三唑水合物)和HATU(O-(7-氮杂苯并三唑-1-基)-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸盐)的混合物。
本发明的第二个方面，提供上述基于原位衍生化技术的脂肪酸MALDI质谱成像方法在脂肪酸原位分析中的应用。
上述一个或多个技术方案的有益技术效果：
(1)上述技术方案中所用衍生化试剂简单，衍生化条件温和，反应步骤简单，适合于组织原位的脂肪酸衍生化分析。
(2)上述技术方案中通过对脂肪酸进行衍生化处理，在其结构中引入容易离子化的季铵基团，提高了脂肪酸MALDI质谱检测灵敏度，实现了生物组织中20种脂肪酸的原位MALDI质谱成像分析。
(3)上述技术方案有效实现了在正离子条件下，脂肪酸与磷脂酰胆碱、溶血磷脂酰胆碱、胆碱、肉碱的同时质谱成像可视化分析，因此具有良好的实际应用之价值。
说明书附图
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明脂肪酸与N，N，N-三甲基-2-(哌嗪-1-基)乙烷-1-碘化铵的衍生化反应式；
图2是本发明实施例1中大鼠肾脏组织中20种脂肪酸质谱成像图；
图3是本发明实施例2中大鼠肾脏组织中肉碱、胆碱、溶血磷脂酰胆碱、磷脂酰胆碱质谱成像图。
图4是本发明实施例3中N，N，N-三甲基-2-(哌嗪-1-基)乙烷-1-碘化铵的高分辨质谱图和子离子扫描质谱图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明的一个具体实施方式中，提供一种基于原位衍生化技术的脂肪酸MALDI质谱成像方法，所述方法至少包括：
将衍生化试剂和催化剂喷涂到组织切片表面，置于含有饱和有机溶剂气体的密闭环境中进行衍生化反应，反应结束后得到脂肪酸衍生化产物；
将上述衍生化处理后的组织切片进行基质喷涂，然后进行MALDI质谱成像分析。
所用的衍生化试剂是N，N，N-三甲基-2-(哌嗪-1-基)乙烷-1-碘化铵，其结构式如式(I)所示：
Figure BDA0002513263660000051
本发明的又一具体实施方式中，喷涂衍生化试剂N，N，N-三甲基-2-(哌嗪-1-基)乙烷-1-碘化铵的浓度为0.2mg/mL-1mg/mL，优选为0.5mg/mL。本发明选用衍生化试剂简单，衍生化条件温和，反应步骤简单，对脂肪酸衍生化效果更佳，因此非常适合于组织原位的脂肪酸衍生化分析。
本发明的又一具体实施方式中，所用的催化剂是HBOt(1-羟基苯并三唑水合物)和HATU(O-(7-氮杂苯并三唑-1-基)-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸盐)的混合物。
本发明的又一具体实施方式中，喷涂催化剂HBOt的浓度为0.1mg/mL-0.5mg/mL，优选为0.2mg/mL；喷涂催化剂HATU的浓度为0.2mg/mL-0.8mg/mL，优选为0.4mg/mL。
本发明的又一具体实施方式中，上述衍生化试剂和催化剂选用溶剂为乙腈和水的混合溶液；进一步的，乙腈和水的体积比为95:5-50:50，优选为乙腈与水的体积比为90:10。
本发明的又一具体实施方式中，衍生化试剂和催化剂的喷涂速率为0.02-0.05mL/分钟，优选为0.03mL/分钟；喷涂循环次数为10-40次，优选为20次。
本发明的又一具体实施方式中，所用的饱和有机溶剂气体为乙醚、丙酮、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺饱和气体中一种，优选为乙腈饱和气体。
本发明的又一具体实施方式中，上述衍生化反应时间为2-24小时，优选为8小时。
本发明的又一具体实施方式中，在基质喷涂中，所用的基质为2,5-二羟基苯甲酸、α-腈基-4-羟基肉桂酸和1,5-二氨基萘中的任意一种；优选为1,5-二氨基萘。
本发明的又一具体实施方式中，本发明中选用组织切片可以是动物组织切片，如大鼠肾脏组织切片或大鼠脑组织切片。在本发明的一个具体实施方式中，所述组织切片具体制备方法为：制作生物组织的冰冻切片并将其转移到ITO-氧化铟锡导电载玻片上，真空抽干即得。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述基于原位衍生化技术的脂肪酸MALDI质谱成像方法在脂肪酸原位分析中的应用。
以下通过实施例对本发明做进一步解释说明，但不构成对本发明的限制。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1：大鼠肾脏组织中脂肪酸衍生化质谱成像分析
(1)取大鼠肾脏组织，利用Thermo CryoStar切片机制作厚度为12μm的肾脏组织冠状面切片2个，备用；
(2)将2个肾脏组织切片转移到2个ITO-氧化铟锡导电载玻片上,置于真空干燥器中干燥20分钟；
(3)精密称量15mg的N，N，N-三甲基-2-(哌嗪-1-基)乙烷-1-碘化铵置于10mL容量瓶中，加入10mL乙腈：水(90:10，v/v)溶液，涡旋混匀，超声5分钟，得到N，N，N-三甲基-2-(哌嗪-1-基)乙烷-1-碘化铵溶液，备用；
(4)精密称量6mg的HBOt置于10mL容量瓶中，加入10mL乙腈：水(90:10，v/v)溶液，涡旋混匀，超声5分钟，得到HBOt溶液，备用；
(5)精密称量12mg的HATU置于10mL容量瓶中，加入10mL乙腈：水(90:10，v/v)溶液，涡旋混匀，超声5分钟，得到HATU溶液，备用；
(6)将N，N，N-三甲基-2-(哌嗪-1-基)乙烷-1-碘化铵溶液、HBOt溶液、HATU溶液按照1:1:1的体积比混合均匀，备用；
(7)采用HTX TM-SprayerTM基质喷涂仪将上述混合溶液喷涂到1片肾组织切片上，设定喷涂条件为：喷涂速率为0.03mL/分钟，喷涂循环次数为20次，喷涂温度为70℃，喷嘴轨道间距为3mm；
(8)采用HTX TM-SprayerTM基质喷涂仪将空白乙腈：水(90:10，v/v)溶液喷涂到另1片肾组织切片上，设定喷涂条件为：喷涂速率为0.03mL/分钟，喷涂循环次数为20次，喷涂温度为70℃，喷嘴轨道间距为3mm；
(9)在一长、宽、高分别为10cm、20cm、3cm的密闭湿盒中加入50mL乙腈溶液，将上述2个肾组织切片置于湿盒上层8小时；
(10)精密称量20mg的1,5-二氨基萘置于10mL容量瓶中，加入10mL乙腈：水(50:50，v/v)溶液，涡旋混匀，超声5分钟，得到1,5-二氨基萘基质溶液；
(11)采用HTX TM-SprayerTM基质喷涂仪将1,5-二氨基萘基质溶液喷涂到置于湿盒中8小时的肾组织切片上，设定喷涂条件为：喷涂速率为0.075mL/分钟，喷涂温度为70℃，喷嘴轨道间距为3mm，循环次数为8次；
(12)利用布鲁克rapiflex MALDI-TOF/TOF型质谱成像仪在正离子检测模式下对肾组织切片进行质谱成像分析。
(13)通过SCiLS Lab 2018b数据处理软件对2个肾组织切片中脂肪酸进行靶向质谱数据提取，获得其离子强度值。
(14)比较未衍生化和衍生化条件下，脂肪酸的质谱成像响应强度，结果如下表1所示，可见当以N，N，N-三甲基-2-(哌嗪-1-基)乙烷-1-碘化铵为衍生化试剂时能够显著提高脂肪酸的质谱成像检测灵敏度。
表1
Figure BDA0002513263660000081
(15)通过SCiLS Lab 2018b数据处理软件对衍生化后肾组织切片中肉碱、胆碱、溶血磷脂酰胆碱、磷脂酰胆碱进行靶向质谱数据提取实施例2：大鼠脑组织中脂肪酸衍生化质谱成像分析
(1)取大鼠脑组织，利用Thermo CryoStar切片机制作厚度为12μm的脑组织冠状面切片；
(2)将脑组织切片转移到ITO-氧化铟锡导电载玻片上,置于真空干燥器中干燥20分钟；
(3)精密称量15mg的N，N，N-三甲基-2-(哌嗪-1-基)乙烷-1-碘化铵置于10mL容量瓶中，加入10mL乙腈：水(90:10，v/v)溶液，涡旋混匀，超声5分钟，得到N，N，N-三甲基-2-(哌嗪-1-基)乙烷-1-碘化铵溶液，备用；
(4)精密称量6mg的HBOt置于10mL容量瓶中，加入10mL乙腈：水(90:10，v/v)溶液，涡旋混匀，超声5分钟，得到HBOt溶液，备用；
(5)精密称量12mg的HATU置于10mL容量瓶中，加入10mL乙腈：水(90:10，v/v)溶液，涡旋混匀，超声5分钟，得到HATU溶液，备用；
(6)将N，N，N-三甲基-2-(哌嗪-1-基)乙烷-1-碘化铵溶液、HBOt溶液、HATU溶液按照1:1:1的体积比混合均匀，备用；
(7)采用HTX TM-SprayerTM基质喷涂仪将上述混合溶液喷涂到脑组织切片上，设定喷涂条件为：喷涂速率为0.03mL/分钟，喷涂循环次数为20次，喷涂温度为70℃，喷嘴轨道间距为3mm；
(8)在一长、宽、高分别为10cm、20cm、3cm的密闭湿盒中加入50mL乙腈溶液，将喷涂有衍生化溶液和催化剂溶液的脑组织切片置于湿盒上层8小时；
(9)精密称量20mg的1,5-二氨基萘置于10mL容量瓶中，加入10mL乙腈：水(50:50，v/v)溶液，涡旋混匀，超声5分钟，得到1,5-二氨基萘基质溶液；
(10)采用HTX TM-SprayerTM基质喷涂仪将1,5-二氨基萘基质溶液喷涂到衍生化反应完的脑组织切片上，设定喷涂条件为：喷涂速率为0.075mL/分钟，喷涂温度为70℃，喷嘴轨道间距为3mm，循环次数为8次；
(11)利用布鲁克rapiflex MALDI-TOF/TOF型质谱成像仪在正离子检测模式下对脑组织切片进行质谱成像分析。
(12)通过SCiLS Lab 2018b数据处理软件对脑组织切片中脂肪酸进行靶向质谱数据提取，获得其离子强度值。
实施例3：N，N，N-三甲基-2-(哌嗪-1-基)乙烷-1-碘化铵的合成
(1)将2.5mM的1-(2-二甲基氨基乙基)哌嗪加入到20mL的乙醚中，涡旋3分钟；
(2)在上述溶液中加入0.5mM的碘甲烷，涡旋3分钟；
(3)室温条件下，将上述溶液在磁力搅拌器下以100rpm/min转速搅拌1小时，然后将其过滤，用乙醚清洗3次，晾干滤纸上的固体物质，得到N，N，N-三甲基-2-(哌嗪-1-基)乙烷-1-碘化铵。
图4是N，N，N-三甲基-2-(哌嗪-1-基)乙烷-1-碘化铵的高分辨质谱图和子离子扫描质谱图。
应注意的是，以上实例仅用于说明本发明的技术方案而非对其进行限制。尽管参照所给出的实例对本发明进行了详细说明，但是本领域的普通技术人员可根据需要对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于原位衍生化技术的脂肪酸MALDI质谱成像方法，其特征在于，所述方法至少包括：
将衍生化试剂和催化剂喷涂到组织切片表面，置于含有饱和有机溶剂气体的密闭环境中进行衍生化反应，反应结束后得到脂肪酸衍生化产物；
将上述衍生化处理后的组织切片进行基质喷涂，然后进行MALDI质谱成像分析；
所用的衍生化试剂是N，N，N-三甲基-2-(哌嗪-1-基)乙烷-1-碘化铵，其结构式如式(I)所示：
2.如权利要求1所述的脂肪酸MALDI质谱成像方法，其特征在于，喷涂衍生化试剂N，N，N-三甲基-2-(哌嗪-1-基)乙烷-1-碘化铵的浓度为0.2mg/mL-1mg/mL，优选为0.5mg/mL。
3.如权利要求1所述的脂肪酸MALDI质谱成像方法，其特征在于，所用的催化剂是HBOt(1-羟基苯并三唑水合物)和HATU(O-(7-氮杂苯并三唑-1-基)-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸盐)的混合物；
优选的，喷涂催化剂HBOt的浓度为0.1mg/mL-0.5mg/mL，进一步优选为0.2mg/mL；
优选的，喷涂催化剂HATU的浓度为0.2mg/mL-0.8mg/mL，进一步优选为0.4mg/mL。
4.如权利要求1-3任一项所述的脂肪酸MALDI质谱成像方法，其特征在于，衍生化试剂和催化剂选用溶剂为乙腈和水的混合溶液；优选的，乙腈和水的体积比为95:5-50:50，进一步优选的，乙腈与水的体积比为90:10。
5.如权利要求1所述的脂肪酸MALDI质谱成像方法，其特征在于，衍生化试剂和催化剂的喷涂速率为0.02-0.05mL/分钟，优选为0.03mL/分钟；喷涂循环次数为10-40次，优选为20次。
6.如权利要求1所述的脂肪酸MALDI质谱成像方法，其特征在于，所用的饱和有机溶剂气体为乙醚、丙酮、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺饱和气体中一种，优选为乙腈饱和气体。
7.如权利要求1所述的脂肪酸MALDI质谱成像方法，其特征在于，衍生化反应时间为2-24小时，优选为8小时。
8.如权利要求1所述的脂肪酸MALDI质谱成像方法，其特征在于，在基质喷涂中，所用的基质为2,5-二羟基苯甲酸、α-腈基-4-羟基肉桂酸和1,5-二氨基萘中的任意一种；优选为1,5-二氨基萘。
9.如权利要求1所述的脂肪酸MALDI质谱成像方法，其特征在于，选用组织切片是动物组织切片，包括大鼠肾脏组织切片和大鼠脑组织切片。
10.权利要求1-9任一项所述基于原位衍生化技术的脂肪酸MALDI质谱成像方法在脂肪酸原位分析中的应用。
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