質譜成像（MSI）：天然產物藥物研發新視角

　　天然產物（Natural products, NPs）及其衍生物是新藥研發的重要源泉，對疾病的預防和治療具有至關重要的作用。NPs 新藥開發包括兩個關鍵方面：一個是從藥用植物或微生物中發現 NPs，另一個是在不同的生理和病理狀態下對體內的 NPs 進行評估。NPs 在藥用植物、微生物以及生物體內的異質分布為藥物開發提供了豐富的信息資源。

　　目前能夠無標記地同時檢測數千種化合物的分子成像技術還相對稀缺。然而，質譜成像（Mass Spectrometry Imaging, MSI）技術在過去二十年中取得了顯著的進步和多樣化發展，這使得它在藥用植物或微生物中 NPs 的發現以及體內 NPs 研究中的應用變得可行。MSI 技術能夠在無需標記的情況下，實現對生產和分配的眾多分子的原位空間映射，為 NPs 的研究提供了一種強有力的可視化工具。

　　因此，這篇綜述探討了 MSI 技術在藥用植物中 NPs 發現的應用，并從新藥研究與開發（Research & Development, R&D）的角度，評估體內 NPs 的臨床前研究。文章還簡要回顧了實現高質量 MSI 結果所需考慮的關鍵因素，并對未來 MSI 技術在新藥 R&D 領域的應用前景進行了展望。

　　2022年10月，中國科學院上海藥物研究所果德安/吳婉瑩課題組在 Acta Pharmacologica Sinica（APS） 上發表了題為“Mass spectrometry imaging: new eyes on natural products for drug research and development”的綜述文章，中國科學院上海藥物研究所侯晉軍高級工程師為該文章的第一作者。文章從藥物研發角度總結了質譜成像技術在天然產物體外和體內異質性分布研究中的應用，希望 MSI 技術能在天然藥物新藥開發方面提供突破，并對質譜成像技術在新藥研發方面的未來發展進行了展望。

圖1. 質譜成像通過可視化藥用植物和體內的分子空間異質空間分布促進NPs的發現及其臨床前研究。

　　01 MSI可以通過可視化NPs在藥用植物中的異質性分布來促進NPs的發現

　　NPs 主要源自藥用植物和微生物的次級代謝產物，以及某些初級代謝產物。在藥用植物中，NPs 的分布通常表現出異質性。MSI 技術以其直觀性，能夠無標記地揭示藥用植物中初級和次級代謝物的空間分布，為新藥開發中 NPs 的發現提供了重要視角。以下是 MSI 技術在藥用植物中發現 NPs 的三個主要應用方面的詳細討論：

　　1.1 優化NPs的提取方法：

　　① NPs 主要來源于藥用植物的次級代謝物和部分初級代謝物，其在植物中的分布具有異質性。

　　② MSI 技術能夠無標記地、高空間分辨率地展示藥用植物中初級和次級代謝物的空間分布。

　　③ 這項技術有助于識別 NPs 富集的植物部位，從而為優化提取方法提供依據。

　　1.2 提高藥用植物中NPs的含量：

　　① NPs 的產生受其生物合成途徑和植物與環境相互作用的影響。

　　② MSI 技術通過探索這兩個方面，有助于發現增加特定 NPs 生物合成和生產的方法。

　　1.3 發現新的NPs：

　　① 傳統的液相色譜-質譜（LC-MS）技術可能無法檢測到某些 NPs，特別是那些在樣品制備過程中被高豐度化合物掩蓋或發生變化的化合物。

　　② MSI 技術通過原位分析組織切片樣本，能夠檢測到這些天然成分的自然富集，從而有可能發現新的成分。

　　在過去五年中，MSI 技術已被應用于多種藥用植物的研究，包括穗花牡荊、銀杏、貫葉金絲桃、沉香、姜黃、長春花、丹參等，顯示了 MSI 技術在藥用植物研究中的廣泛應用。MSI 技術不僅為理解藥用植物中 NPs 的生成過程提供了直觀的分析手段，而且有助于發現新 NPs 以及優化 NPs 的提取，從而可能促進新藥的開發（如圖2所示）。

　　圖2. 質譜成像在藥用植物/微生物天然產物發現中的應用。

　　02 MSI可以通過可視化體內異質性NPs的空間分布來促進藥物研發

　　在獲得具有生物活性的 NPs 之后，MSI 技術可以在臨床前研究中發揮重要作用，主要體現在以下三個方面：

　　2.1 ADME和PK-PD研究：

　　① MSI 技術能夠提供化合物在體內的直接空間分布，有助于直觀分析 NPs 的空間異質性及其 ADME 特性。

　　② 可以建立 NPs 與內源性藥效生物標志物之間的空間關聯性，為理解藥物作用機制提供新視角。

　　③ MSI 的無標記特性使其能夠直接反映藥物在體內的實際分布，包括皮膚和腸道吸收過程，以及多個代謝物的空間分布信息。

　　2.2 療效和安全性評估：

　　① MSI 技術通過高空間分辨率的分布圖，有助于揭示藥物的“治療異質性”，從而提高藥效和毒性評估的準確性。

　　② 分析藥物在靶器官的分布，可以更好地理解藥效異質性，預測藥物的潛在療效或毒性。

　　③ MSI 技術的應用有助于發現藥物在體內的理想分布，以及可能的藥效或毒性相關的器官。

　　2.3 藥物修飾、制劑優化和納米材料選擇：

　　① MSI 技術可以直觀展示化學修飾、制劑優化或納米材料選擇后藥物的靶向分布，為藥物開發提供直接證據。

　　② 金屬納米材料在藥物制劑中的重要性日益增加，MSI 技術能夠利用其自身特性，監測并分析其在體內的空間分布。

　　綜上所述，MSI 技術通過可視化 NPs 在體內的空間分布，為藥物的 ADME 特性分析、療效和毒性評估以及藥物的化學修飾和制劑優化提供了一種強有力的工具。這些應用不僅有助于深入理解藥物的作用機制，還推動了新藥的臨床前研究和開發進程。

　　圖3. 質譜成像在藥物開發ADME和PK-PD研究中的應用。

　　圖4. 質譜成像在藥物療效和毒性分析的準確性、可預測性以及化學修飾和劑型設計中的應用。

　　03 總結與展望

　　MSI 技術作為一種強大的可視化分析工具，因其能夠無標記地展示組織空間中上千分子的分布，對 NPs 的研究及其在疾病干預中的應用具有獨特價值。隨著 MSI 技術的不斷進步，為了獲得高質量的 MSI 研究結果，研究者需要考慮以下關鍵因素：

　　① 研究模式的選擇：MSI 研究可分為發現驅動模式和驗證驅動模式。發現驅動模式側重于提出新的科學假設，而驗證驅動模式則側重于直接展示目標分析物的空間分布。研究者應根據研究目標選擇適當的模式，并理解不同樣本制備、離子源和質譜儀器可能對結果產生的影響。

　　② 樣本制備的重要性：樣本制備是 MSI 中至關重要的步驟，包括選擇合適的樣本組織類型、組織切片的獲取方法、切片處理方法、衍生化方法（如果需要），以及基質的選擇和應用。

　　③ 組織切片的獲取：不同類型的樣本（如植物、動物和臨床樣本）需要特定的切片方法。例如，植物樣本可能使用印跡方法，而動物和臨床樣本則使用冷凍切片。

　　④ 切片處理方法：包括通過預處理改變組織表面的成分，以增強或改變組織表面的成分，以及引入內標以提高質量校準或定量的準確性。

　　⑤ 樣本衍生化：衍生化可以增強難以電離化合物的電離效率，并幫助區分具有 C=C 雙鍵位置的脂質異構體。

　　⑥ 基質選擇和噴霧策略：對于需要基質輔助的離子源，如 MALDI，需要在切片表面引入特定的有機酸作為基質。

　　⑦ 離子源的選擇：離子源的選擇應基于研究的假設和目的，包括激光基、液體基和離子簇基離子源。

　　⑧ 質譜儀器的影響：不同的質譜儀器在質量分析范圍、靈敏度和質量分辨率方面存在差異，選擇合適的儀器對 MSI 分析至關重要。

　　⑨ 離子遷移的應用：離子遷移分析可以提供額外的分離維度，有助于區分具有相同 m/z 值的異構體，并提高低豐度離子的鑒定效率。

　　⑩ 平衡空間分辨率、質量分辨率、靈敏度和數據采集時間：研究者需要根據不同的分析目的，合理選擇空間分辨率，以平衡質譜分辨率、靈敏度和數據采集時間。

　　總結來說，作者強調了在 MSI 研究中，從研究模式的選擇、樣本的制備和處理、離子源和質譜儀器的選擇，到數據分析的策略，每一個步驟都需要仔細考慮和優化，以確保研究結果的質量和可靠性。

　　文獻地址：

　　https://www.nature.com/articles/s41401-022-00990-8

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