“人類天生就可以收集大量的視覺信息。”范德堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院斯坦�！つ�爾生物化學(xué)主任與質(zhì)譜研究中心主任 Richard Caprioli 表示，“我們喜歡圖樣、我們喜歡照片，我們通過一張簡單的照片可以獲得大量的信息。”

　　在 Caprioli 看來，這一點解釋了質(zhì)譜成像技術(shù)(MSI)為什么越來越受歡迎。尤其是這項技術(shù)可以幫助組織學(xué)家獲得原本需要數(shù)年才能掌握的專業(yè)知識�！八�采用的不是顏色維度，而是分子維度。但這個事實并不是那么重要，只要分子維度有足夠的信息量。”他說。

　　質(zhì)譜成像技術(shù)就像是免疫組織化學(xué)的高通量版本，只是沒有抗體而已。質(zhì)譜成像技術(shù)并沒有為組織切片事先染上特殊標(biāo)記，它使用質(zhì)譜儀一次性挑選并繪制成百上千種分子的空間排列。研究者無需提前知道哪個分子比較重要，就可以利用該技術(shù)進(jìn)行繪制挑選，而且速度很快�！拔覀兊膬x器有激光，每秒可以做 5000 個質(zhì)譜。” Caprioli 表示，這一速度足以在一個小時之內(nèi)掃描包括數(shù)百個病患活組織在內(nèi)的組織微陣列整體。

　　但是，質(zhì)譜成像技術(shù)的應(yīng)用也存在明顯的障礙。比方說，圖像分辨率隨著光點尺寸的減小而升高，但卻降低了離子材料的產(chǎn)量。該技術(shù)并沒有初步分離的步驟，因此可能會只抽取豐度最高的分子。而在計算方面，研究人員面臨的挑戰(zhàn)則是如何對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，特別是如何能夠真正理解這些數(shù)據(jù)。但是不管怎么說，研究人員正在使用質(zhì)譜成像技術(shù)進(jìn)行研究，無論是確定亞細(xì)胞分辨率下組織切片中的藥物代謝產(chǎn)物，證實疾病的生物標(biāo)記，還是鑒別腫瘤的邊界等等。他們甚至正在將該技術(shù)引入臨床，至少是接近于臨床研究。

　　質(zhì)譜成像技術(shù)的策略

　　那么，什么是質(zhì)譜成像技術(shù)?就像是一張標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)碼照片，數(shù)字成像的色彩是通過紅綠藍(lán) 3 個顏色通道疊加而成的，屏幕上每個小像素的顏色都是由這三個顏色的密度所構(gòu)成的。

　　現(xiàn)在，想象一張擁有成千上萬個顏色通道的圖片。這就是質(zhì)譜成像技術(shù)， Caprioli 說，每個通道都是你想要展示的那個分子種類或質(zhì)譜峰。研究人員將這些不同的通道互相覆蓋，便可以產(chǎn)生一個針對組織分子構(gòu)成和空間分布的彩色繪圖，無論是對蛋白質(zhì)、神經(jīng)肽、代謝分子還是脂類等組織——顯然脂類的需求正在增加。

　　研究人員為質(zhì)譜成像技術(shù)設(shè)計了幾十套方案，但正如 2012 年的綜述中所說的(J. Proteomics, 75:4883, 2012)，只有三種是最常見的。 Caprioli 的基質(zhì)輔助激光解析質(zhì)譜成像技術(shù)(MALDI-MSI)通過紫外線激光光柵掃描一個基質(zhì)包膜的組織切片來建立圖像。該技術(shù)的像素大小一般近似于 1 到 10 個微米，意味著它可以達(dá)到亞細(xì)胞分辨率。但由于它需要使用 MALDI 基質(zhì)和真空環(huán)境，所以 MALDI-MSI 不適用于活體樣本。同時，基質(zhì)是用來吸收激光能量并轉(zhuǎn)移到樣本上去，但是這種基質(zhì)可能會很難在樣本上操作并產(chǎn)生大量的小分子量的電離物，這會遮蔽生成光譜的代謝區(qū)域。

　　賓夕法尼亞州立大學(xué)埃文·普名譽化學(xué)教授 Nick Winograd 采用了第二種方法——次級離子質(zhì)譜法(SIMS)。這種方法通過在樣品表面噴鍍離子束讓樣品產(chǎn)生電離作用(比方說，英國 Ionoptika 公司的帶電 C60 分子或氬團(tuán)簇束)，不使用激光。 Winograd 稱，這種方法有兩大優(yōu)點，第一個是分辨率：SIMS得出的像素約有 300 納米，而MALDI充其量只有1毫米。另一個是通過分子深度剖析，研究人員可以使用碰撞而成的坑痕去“深挖”這個樣本，通過三維立體化繪制其分子組成物。

　　第三種是電噴霧解析電離技術(shù)(DESI)，這種(非真空的)電離技術(shù)通過噴射溶劑，將溶劑覆蓋在未經(jīng)處理的組織表面上，溶解表面的分子。然后再繼續(xù)往上滴溶劑，以使溶解物濺到質(zhì)譜儀上，進(jìn)行電離和分析。(Prosolia 公司對 DESI 技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化，該公司由該技術(shù)的發(fā)明者、普度大學(xué)化學(xué)家 R. Graham Cooks 共同創(chuàng)辦。)

　　DESI、MALDI、SIMS 這三種技術(shù)以及他們的變體都采用阿姆斯特丹 FOM 研究所 AMOLF 學(xué)院 Ron Heeren 所謂的“微探針”模式，分辨率隨著像素尺寸減小而升高。這里面的問題是如何從盡可能小的光點中最大化樣品的電離作用。但是較小的光電也就意味著檢測到的離子會更少，且不要說成像時間會更長了(因為里面的像素會變多)。

　　Heeren 更喜歡“顯微”模式。這種模式可以用散焦像素更快成像，再加上像素檢測器如 CCD，可以有效地一次性捕獲 262144(512x512)個光譜。

　　“這就像個相機(jī)�！� Heeren 解釋道，“就是一點，我們制造的是分子閃光照片�！�

　　Heeren 認(rèn)為這個“質(zhì)譜顯微鏡”的關(guān)鍵是 Timepix 探測器，這個探測器是CCD和飛行時間質(zhì)譜分析器的結(jié)合。(Heeren 共同創(chuàng)立的 Omics2Image 擁有 Timepix 探測器)。他解釋，大多數(shù)質(zhì)譜檢測裝置將探測器視為一個大的像素，將所有到達(dá)表面的離子碰撞整合為一個單一的信號。 Timepix 將這個信號分成 262000 個空間分辨的點，這樣在探測到成像表面分子時，它們可以保持并記錄自己的空間定位，成像速度非常快。

　　有多快? Heeren 說， MALDI-MSI 儀器可以產(chǎn)生每秒鐘一個像素，達(dá)到一微米的分辨率。因此在一個 100x100 毫米的區(qū)域中，要想生成 1 萬個像素需要花費 2.7 個小時。但使用質(zhì)量顯微鏡和 Timepix 探測器，“我們可以在一秒鐘內(nèi)得到這些信息。”

　　顯微鏡上還有物理電子學(xué) TRIFT SIMS-TOF 系統(tǒng)，上面還有一個 MALDI 技術(shù)， Heeren 團(tuán)隊最近正在使用這一技術(shù)探索骨關(guān)節(jié)炎下的生理變化�！拔覀兩踔量梢宰C實，在蛋白質(zhì)水平和脂代謝水平上的生理變化以及軟骨礦化，會導(dǎo)致軟骨機(jī)械強(qiáng)度的流失�！彼�說。

　　常態(tài)MSI

　　與 MALDI 和 SIMS 相比，DESI 和激光燒蝕電噴霧技術(shù)(LAESI，由 Protea Biosciences 推出的激光技術(shù))這些正常大氣壓下的電離技術(shù)擁有一些特殊的優(yōu)勢。最明顯的優(yōu)勢是，他們不需要進(jìn)行樣品處理，在正常空氣中操作即可，不需要真空。因此，他們可以用在活體樣本上，甚至可以在患者身上進(jìn)行操作。

　　“我自己這輩子的追求就是：用未處理過的樣品就可以進(jìn)行質(zhì)譜分析。”這是 Cooks 幾十年來的目標(biāo)。

　　作為一個研究者， Cooks 的工作是提取并測定植物生物堿的結(jié)構(gòu)。很長的一段時間內(nèi)，研究都非常艱辛，他只提取了一點“不純的生物堿，而且也沒有做出結(jié)構(gòu)方面的進(jìn)展”。直到他遇到了從斯坦福大學(xué)來演講的Carl Djerassi。他說，Djerassi把他的材料樣品帶回了實驗室，并收集它們的質(zhì)譜，十天后又把結(jié)構(gòu)發(fā)了回來�！斑@讓我相信質(zhì)譜分析法的強(qiáng)大�！� Cooks 說，“同時，我也發(fā)現(xiàn)提取方法學(xué)中存在的局限性�！�

　　從那以后，他開始從那些在生物上不怎么好操作的技術(shù)限制中脫出來，進(jìn)行質(zhì)譜分析，發(fā)展了正常氣壓下的電離技術(shù)，特別是 DESI。2011年，由 Cooks 和哈佛醫(yī)學(xué)院Nathalie Agar 共同領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊，使用電噴霧解析電離質(zhì)譜技術(shù)(DESI-MS)來存儲腦腫瘤組織，使用脂類特征檢測結(jié)果幫助電腦區(qū)分不同形式和組織病理學(xué)分級的神經(jīng)膠質(zhì)瘤(一種腦瘤)。

　　對于這種分析來說，脂類是一個古怪的選擇。的確，脂類對于 MSI 從業(yè)者來說就是無奈之舉，但他們必須從中獲取最大的價值。在標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)胞分析中，研究人員可以分離細(xì)胞提取物，并去掉不想要的部分，這其中往往就包括脂類。但是在MSI及其他原位應(yīng)用中，研究人員必須知道自己面前擺著的是什么。他們面前擺著的主要是脂類。但幸運的是，脂類不僅豐度高，非常容易電離，而且信息量也很大。

　　“如果你只看脂類的話，它的組織特征比蛋白質(zhì)要好得多。”倫敦帝國學(xué)院醫(yī)療質(zhì)譜部門研究員 Zoltán Takáts 這樣說。

　　最近， Cooks 和 Agar 將這一方法應(yīng)用到5個正在進(jìn)行治療的腦癌病人的 32 個手術(shù)標(biāo)本當(dāng)中。該系統(tǒng)通過逐個像素報告了腫瘤的亞型、分級以及癌細(xì)胞的部分。 Cooks 說，這些數(shù)據(jù)可以讓他們的團(tuán)隊在繪制腫瘤邊界時找出不同組織病理學(xué)級別的各個區(qū)域，補充MRI數(shù)據(jù)。他還強(qiáng)調(diào)，他們使用的是“最便宜的”質(zhì)譜分析儀器，Thermo Fisher 公司的單級(與串聯(lián)相對)低分辨率 LTQ 離子阱。

　　但 Agar 也指出，這還是一個研究項目，團(tuán)隊不能實時將這些結(jié)果傳遞給外科醫(yī)生，他們在波士頓收集樣本，但真正成像卻是在印第安納州。自那以后，她的團(tuán)隊在布萊罕婦女醫(yī)院的 AMIGO 手術(shù)室安裝了 Bruker 公司利用 DESI 技術(shù)的 amaZon Speed 離子阱，用來進(jìn)行腦瘤案例的測試。該手術(shù)室是醫(yī)院的影像引導(dǎo)治療國家中心。 Agar 說，很快他們會研制出乳腺癌測試，但是團(tuán)隊仍然不能指導(dǎo)外科醫(yī)生真正操刀。這種方法首先必須經(jīng)過驗證，“這最終會需要經(jīng)過臨床試驗進(jìn)行驗證�！�

　　簡化數(shù)據(jù)分析

　　最終，要想把 MSI 推向臨床，就必須要跨越質(zhì)譜儀專家，讓真正需要使用它的人掌握這門技術(shù)。然而，沒有幾個臨床醫(yī)生能夠掌握 MSI 技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和信息學(xué)的精妙，而且更沒有人愿意花時間學(xué)習(xí)了。在 Cooks 看來，如果這項技術(shù)“又嬌貴，而且這項質(zhì)譜技術(shù)需要博士才能掌握”的話，就很難進(jìn)行推廣，“它需要全自動，儀器也不能那么嬌貴，必須要可靠而且相對簡單�！�

　　對于典型的組織病理學(xué)應(yīng)用來說，這不是什么問題，因為這個系統(tǒng)可以配置成智能盒子(turnkey boxes)，只有通過特定的生物標(biāo)記才能打開。全球的各大臨床實驗室已經(jīng)在常規(guī)地使用非成像質(zhì)譜儀，包括 Bruker 公司的 MALDI BioTyper 和 Sequenom 公司 MassARRAY。 Caprioli 想要為組織學(xué)家和病理學(xué)家設(shè)計一款類似于顯微鏡的 MSI，儀器小到甚至可以塞在桌下。實驗室技術(shù)員只需要學(xué)會如何準(zhǔn)備樣本、操作機(jī)器，軟件就可以進(jìn)行剩下的操作。

　　但是像生物標(biāo)志物鑒定等更為復(fù)雜的應(yīng)用則是另一回事兒。“質(zhì)譜成像技術(shù)數(shù)據(jù)集的大小取決于圖像像素的數(shù)量和質(zhì)譜儀的分辨率。而近年來，它倆發(fā)生了巨大的變化。”勞倫斯-伯克利國家實驗室科學(xué)家 Ben Bowen 說，他發(fā)明了質(zhì)譜成像技術(shù)的數(shù)據(jù)分析軟件。

　　隨著分辨率的提高，像素就會收縮。同時，進(jìn)行“發(fā)現(xiàn)模式”實驗的研究人員預(yù)先不知道哪個分子更為重要，所以他們要將所有分子都考慮進(jìn)去，在成千上萬個顏色通道上進(jìn)行兩兩比較。

　　所有這些像素加起來的數(shù)據(jù)是驚人的。 Bowen 說，他的同事 Trent Northen 在自己的工作中使用質(zhì)譜成像技術(shù)，這些年已經(jīng)收集了幾百萬兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。對于初學(xué)者來說，打開數(shù)據(jù)文件都是個問題，這讓他們非常依賴更精通于這項技術(shù)的專家�！澳憔蜁�知道為什么它讓這些科學(xué)家如此不悅了。” Bowen 說。

　　為了減輕他們的負(fù)擔(dān)， Northen 和 Bowen 與伯克利實驗室數(shù)據(jù)可視化專家 Oliver Ruebel 一同研發(fā)了 OpenMSI 的云計算平臺，用戶可以直接在瀏覽器上瀏覽和操作質(zhì)譜成像技術(shù)的云計算數(shù)據(jù)。 Bowen 介紹，美國能源部國家能源研究科學(xué)計算機(jī)中心(NERSC)的超級計算機(jī)用于支持該系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)處理時間從幾天減少到幾分鐘。

　　Bowen 說，他和 Northen 的合作者之一可以使用 OpenMSI 詳細(xì)研究 50 千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)集，這個數(shù)據(jù)集他在一年半前就收集到了，但是一直沒有辦法進(jìn)行研究�！艾F(xiàn)在他就在(谷歌)瀏覽器中使用這項技術(shù)。”他舉例說，包括瀏覽RGB圖像，檢驗下面的光譜，并與同事分享數(shù)據(jù)，“所有你能想到的 21 世紀(jì)互聯(lián)網(wǎng)所提供的功能，我們都能在 OpenMSI 上實現(xiàn)質(zhì)譜成像技術(shù)的這一功能�！�

　　手術(shù)室的質(zhì)譜儀

　　但是要想達(dá)到臨床可譯性的最優(yōu)化，研究人員可能必須要脫離MSI的成像部分。這就是倫敦帝國學(xué)院 Takáts 的研究成果。

　　Takáts 是 Cooks 之前的博士后，作為論文第一作者首次對 DESI 進(jìn)行描述。他研發(fā)并正在檢測一種新的非真空電離技術(shù)——快速蒸氣電離質(zhì)譜儀(REIMS)，并設(shè)計了 iKnife 智能手術(shù)刀，外科醫(yī)生可以在手術(shù)室就搞定組織的組織學(xué)和組織病理學(xué)問題。

　　“最終的設(shè)備非常簡單�！� Takáts 解釋道，而且還依賴電外科技術(shù)，這種切割技術(shù)使用電流氣化組織。這個過程釋放的煙霧是焦油、微粒物質(zhì)和電離脂質(zhì)的組合，iKnife持續(xù)提取樣本放入附在旁邊的聚四氟乙烯管，然后放入質(zhì)譜儀。

　　在過去幾年內(nèi)， Takáts 建立的數(shù)據(jù)庫包括了近 20 萬人類癌癥和健康組織的脂類樣本。通過這些數(shù)據(jù)，他證實了可以通過脂類生物標(biāo)記區(qū)別不同的樣本。因此，使用在電外科過程中產(chǎn)生的離子化的脂類特征，他的系統(tǒng)可以基本上實時地確定iKnife下面的組織是健康的還是癌變的，以及其組織學(xué)狀態(tài)。

　　但要說明的是，這里面沒有成像。“出來的診斷結(jié)果是組織學(xué)水平的鑒定�！� Takáts 說，“這個系統(tǒng)會告訴你這是非小細(xì)胞肺癌，2 期之類的。”

　　在匈牙利、德國和英國，iKnife(MediMass 公司和帝國學(xué)院的研發(fā)成果)已經(jīng)在超過 500 個手術(shù)中進(jìn)行檢測，“在絕大多數(shù)案例中，能夠達(dá)到 100% 的分類正確率�！� Takáts 說，涵蓋了胃腸道癌、肝癌、肺癌、乳腺癌和腦癌。在有些案例中，醫(yī)生本以為是腫瘤，但是該技術(shù)卻證明只是良性組織或炎癥性疾病�，F(xiàn)在， Takáts 正在研發(fā)一種新的系統(tǒng)，可以為內(nèi)窺鏡檢查進(jìn)行類似的評估。

　　Takáts 表示，最終，這種應(yīng)用可能會讓 MSI 變得“意義非凡”，不僅是作為一個研究工具，更是作為常規(guī)的臨床技術(shù)。他指出，組織病理學(xué)研究者可能不愿意接受這種相對較慢、而且價格高昂的技術(shù)。但他也表示，是這款儀器的速度和價格都會有所改善。以往，要想進(jìn)行這項檢測，最好的時機(jī)是要在解剖后等待半個小時才能進(jìn)行檢測。如果這項技術(shù)能夠醫(yī)生在幾秒鐘內(nèi)提供診斷，并且是體內(nèi)的，那么人們就會更傾向于這項技術(shù)。

　　“這套系統(tǒng)的優(yōu)勢是組織病理學(xué)所不能及的�！彼�說。