空間同位素示蹤技術(shù)

基于組織間代謝交互作用的研究對揭示生命體代謝穩(wěn)態(tài)調(diào)控及發(fā)現(xiàn)疾病治療新靶點(diǎn)具有重要意義。質(zhì)譜成像（MSI）驅(qū)動的空間代謝組學(xué)技術(shù)能獲取數(shù)千種分子的空間分布信息，廣泛應(yīng)用于代謝異質(zhì)性研究；同位素示蹤技術(shù)可追蹤代謝途徑，但難以解析器官內(nèi)代謝異質(zhì)性，將二者結(jié)合的空間同位素示蹤技術(shù)有望為研究組織間代謝交流提供全新路徑。

近日，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所再帕爾·阿不力孜教授團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》上發(fā)表了題為“Spatial isotope deep tracing deciphers intertissue metabolic crosstalk”的研究論文。該研究創(chuàng)新整合同位素示蹤技術(shù)與AFADESI-Orbitrap質(zhì)譜成像系統(tǒng)，開發(fā)了空間同位素深度示蹤技術(shù)，結(jié)合自主研發(fā)的自動化計(jì)算工具M(jìn)SITracer，為器官間代謝交互研究提供了突破性解決方案，成功揭示了脂質(zhì)代謝中的器官協(xié)同機(jī)制，并系統(tǒng)闡明了腫瘤引發(fā)的全身性代謝失衡新機(jī)制。

研究框架

質(zhì)譜成像+ MSITracer

代謝研究的利器

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高分辨質(zhì)譜技術(shù)顯著提升檢出覆蓋率

研究團(tuán)隊(duì)基于Q Exactive Orbitrap高分辨質(zhì)譜平臺高分辨率、高質(zhì)量精度的優(yōu)勢，在方法優(yōu)化后，顯著提升標(biāo)記代謝物檢出覆蓋率。小鼠體內(nèi)U-¹³C葡萄糖和U-¹³C谷氨酰胺標(biāo)記達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，對血清和九個(gè)主要器官樣本（腦、肝、腎、心、脾、肺、胰、肌肉及棕色脂肪組織BAT）提取的代謝物和脂質(zhì)在正/負(fù)離子模式下分別進(jìn)行UHPLC-HRMS分析，檢測得到U-¹³C葡萄糖標(biāo)記代謝物數(shù)量超1200種，較先前研究提升近3倍。U-¹³C谷氨酰胺標(biāo)記代謝物數(shù)量達(dá)462種，共覆蓋36條代謝通路，大幅拓展了傳統(tǒng)代謝組學(xué)知識庫，為器官代謝交互作用研究提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

體內(nèi)同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)（點(diǎn)擊查看大圖）

2

創(chuàng)新MSITracer算法，高效解析代謝物

AFADESI-MSI能夠產(chǎn)生許多傳統(tǒng)LC-MS譜中不常見的加合離子，AFADESI-Orbitrap對[M+Cl]–等加合離子具有更高檢測靈敏度，能更清晰地捕獲代謝物的空間分布，因此拓展數(shù)據(jù)庫十分重要。研究團(tuán)隊(duì)基于LC-MS實(shí)驗(yàn)測定的加合離子結(jié)合理論推測，構(gòu)建了MSI專用數(shù)據(jù)庫，同時(shí)開發(fā)了MSITracer算法，基于這一數(shù)據(jù)庫通過三大核心步驟實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)解析：提取目標(biāo)同位素異構(gòu)體信號、篩選具有足夠成像信號的離子、量化標(biāo)記模式與組分比例。MSITracer的強(qiáng)大功能進(jìn)一步助力闡明器官間代謝交互作用。

MSITracer工作流程（點(diǎn)擊查看大圖）

3

整體動物成像分析，揭示代謝交流機(jī)制

研究團(tuán)隊(duì)充分利用AFADESI-Orbitrap整體成像覆蓋多器官、能夠進(jìn)行高通量、高靈敏檢測的優(yōu)勢，通過分析M0與Mn獨(dú)特的空間分布，直觀揭示了器官間的代謝交互作用。成像分析顯示，腎臟與肝臟中葡萄糖M3顯著富集（糖異生指標(biāo)），而腦組織中則聚集低標(biāo)記的谷氨酰胺M2（提示由其他碳源重構(gòu)而成）和TCA關(guān)鍵代謝物琥珀酸M4。同時(shí)蛋白質(zhì)定量研究結(jié)果顯示腎/肝組織中糖異生關(guān)鍵酶表達(dá)顯著上調(diào)，血清中葡萄糖M3顯著檢出，琥珀酸在腦組織中快速周轉(zhuǎn)。研究揭示了“腎-肝-腦代謝軸”的交互機(jī)制：腎臟與肝臟將谷氨酰胺經(jīng)糖異生轉(zhuǎn)化為葡萄糖，通過循環(huán)輸送至大腦，再經(jīng)TCA氧化為谷氨酸，支持神經(jīng)功能活動。

使用MSITracer表征器官特異性代謝活性

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成像技術(shù)賦能代謝組學(xué)多場景探索

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器官間脂質(zhì)代謝通訊機(jī)制解析

本研究利用AFADESI-Orbitrap結(jié)合MSITracer分析脂質(zhì)在器官間的代謝交互，MSI成像結(jié)果顯示，棕櫚酸M1-M6分布于棕色脂肪組織BAT，M0分布于大腦，肉豆蔻酸也存在類似分布，表明BAT是脂肪酸主要來源。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，心臟、大腦和BAT中乙酰膽堿M2標(biāo)記強(qiáng)度高，提示脂肪酸氧化活躍，心臟最顯著，但心臟與血清均未檢測到標(biāo)記游離脂肪酸，追蹤脂質(zhì)載體發(fā)現(xiàn)，TG(48:1)在BAT、腦、肝臟及血清均有標(biāo)記，BAT和腦高位標(biāo)記，肝臟和血清低位標(biāo)記，說明肝臟利用標(biāo)記的甘油骨架合成脂質(zhì)，經(jīng)血液輸送至心臟。通過關(guān)鍵酶定量分析與免疫組化驗(yàn)證，研究提出器官間脂質(zhì)代謝交互機(jī)制：BAT和腦從頭合成并氧化脂肪酸，肝臟利用葡萄糖氧化產(chǎn)生的甘油骨架合成脂質(zhì)并經(jīng)血液運(yùn)輸至心臟進(jìn)行能量交換，從而維持脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)。

解析器官間的代謝通訊

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腫瘤引發(fā)全身性代謝失調(diào)機(jī)制研究

利用U-13C葡萄糖對HepG2腫瘤小鼠進(jìn)行代謝追蹤，MSITracer揭示腫瘤微區(qū)代謝異質(zhì)性：葡萄糖M6及衍生物主要分布于壞死（T1）和基質(zhì)區(qū)（T3），乳酸廣泛分布，TCA循環(huán)關(guān)鍵代謝物富集于增殖區(qū)（T2）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，谷氨酸標(biāo)記高于其他TCA中間物，且M2標(biāo)記高于其前體α-酮戊二酸，提示外碳源參與谷氨酸合成。通過血清和腦、肺追蹤顯示，肺可能為腫瘤提供谷氨酰胺。與此同時(shí)，宿主己糖胺生物合成通路（HBP）標(biāo)記下降，終產(chǎn)物UDP-N-乙酰葡糖胺在器官中的標(biāo)記強(qiáng)度對比正常小鼠顯著下降甚至消失。經(jīng)過關(guān)鍵酶定量分析與免疫組化驗(yàn)證，研究推測：肺通過葡萄糖衍生的谷氨酰胺供腫瘤代謝，同時(shí)腫瘤負(fù)荷顯著影響宿主器官的HBP通路，多個(gè)器官喪失代謝協(xié)調(diào)性。

異種移植小鼠模型中肝癌引起的全身代謝改變

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空間代謝組學(xué)研究新方向

運(yùn)用AFADESI-Orbitrap 系統(tǒng)高靈敏度、高覆蓋度與整體動物成像的獨(dú)特優(yōu)勢，與穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)深度融合并結(jié)合 MSITracer 的高效數(shù)據(jù)解析，實(shí)現(xiàn)了多器官代謝通訊的可視化解析。由此構(gòu)建的空間同位素示蹤技術(shù)突破了傳統(tǒng)代謝研究無法直接解析器官間動態(tài)聯(lián)系的限制，為揭示復(fù)雜代謝通訊機(jī)制與探索腫瘤治療新策略提供了重要方法學(xué)基礎(chǔ)。

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