質譜成像：解鎖新污染物的“空間密碼”，拓展環(huán)境毒理研究新維度——你不可不知的前沿技術！
發(fā)布時間:2025-05-22 閱讀次數(shù)：164次
質譜成像：解鎖新污染物的“空間密碼”，拓展環(huán)境毒理研究新維度
環(huán)境新污染物
亟待破解的毒性 “時空謎題”
新污染物（如POPs 、微塑料、納米材料等）因具有環(huán)境持久性、生物蓄積性和毒性，正成為威脅人類健康與生態(tài)安全的重要隱患。當前，環(huán)境新污染物與人體健康關聯(lián)研究備受關注，其毒性效應通過“代謝-蓄積-生物分子互作”多維路徑傳導，與組織器官特異性分布、內源性代謝網(wǎng)絡的時空異質性密切相關。然而，傳統(tǒng)檢測技術（如 LC、LC-MS）僅可實現(xiàn)污染物的定性定量分析，無法解析其在生物體內的空間異質性分布及代謝擾動機制，亟需突破 “空間維度” 的技術創(chuàng)新。
質譜成像
從 “定性定量分析” 到 “時空定位解析”
作為質譜技術的空間分析延伸，質譜成像技術（Mass Spectrometry Imaging, MSI）整合“定性、定位與定量” 三維分析功能，可在生物組織（從器官甚至到細胞層面）原位可視化外源性污染物與內源性代謝物的空間分布圖譜（圖1） 。該技術通過精準捕捉污染物在組織微區(qū)結構的特異性富集特征，動態(tài)追蹤其跨生物屏障（如血腦屏障）及植物維管系統(tǒng)的時空遷移軌跡，并通過耦合“暴露劑量-響應”污染評估模型[1, 2]，關聯(lián)局部微環(huán)境中生物標志物的異常表達特征，為闡釋污染物毒代動力學過程、定位細胞及亞細胞層面的毒性作用靶點、揭示組織微環(huán)境的分子應答機制，提供多維度的原位可視化分子證據(jù)[3]。
圖1 質譜成像原理示意圖
技術方案
島津成像質譜顯微鏡iMScope QT推動精準成像分析
島津成像質譜顯微鏡 iMScope QT 憑借高分辨率原位檢測等諸多技術優(yōu)勢，突破傳統(tǒng)勻漿分析因 “均一化處理” 導致的空間信息丟失的局限，為解析污染物在生物體內的代謝、蓄積及毒性機制提供精準技術支撐，助力環(huán)境毒理學研究及風險評估。
鏡質合璧
光學顯微鏡與質譜成像完美融合，精準定位組織微區(qū)的分子分布動態(tài)及特異性變化。
高效高分辨分析
具備5 μm 高空間分辨率與 50 像素/秒高速掃描能力，搭載 AP-MALDI 源可實現(xiàn)揮發(fā)性目標物（如多環(huán)芳烴）的穩(wěn)定檢測
多元分析
集成 LC-QTOF 功能及專業(yè)化成像軟件，實現(xiàn)從“靶向/非靶向分子定位”到“組學分析”的全流程覆蓋。
典型應用
島津成像質譜顯微鏡iMScope在環(huán)境毒理學研究中的實例解析
（一）污染物分布特征解析：從器官定位到細胞微區(qū)
案例 1：納米材料富勒醇的跨屏障遷移風險[4]
利用成像質譜顯微鏡，首次可視化水溶性羥基化富勒烯納米材料 —— 富勒醇在斑馬魚組織中的分布特征（圖2），發(fā)現(xiàn)其經(jīng)水體暴露后可富集于鰓（含量最高）、腸道、肌肉并穿透血腦屏障進入腦部，并且呈現(xiàn)鰓絲、腸道壁細胞等組織微區(qū)的特異性聚集。研究證實，富勒醇具備潛在的跨屏障遷移能力和生物累積風險，為納米材料生態(tài)風險評估提供細胞層面的直接證據(jù)。
圖2 富勒醇在斑馬魚組織中質譜成像結果
（二）代謝擾動機制解析：污染物-代謝物共定位分析
案例 2：全氟辛酸（PFOA）的肝毒性時空效應[5]
基于成像質譜顯微鏡平臺，成功建立斑馬魚肝臟中 PFOA 的原位可視化分析方法，發(fā)現(xiàn)PFOA在肝臟中呈非均勻分布，特異性富集于肝臟邊緣。暴露組肝臟中15 種磷脂水平顯著上調（p<0.05），其中膜磷脂 PE、PA 上調最明顯（圖3）。結合磷脂代謝變化與 H&E 染色病理結果可見，膜磷脂的異常上調可能破壞肝細胞膜穩(wěn)定性，進而導致肝細胞水腫及肝血竇擴張等病理改變。
共定位分析顯示，PFOA 與TG (54:11) 在肝邊緣高度重疊，提示二者具有強結合親和力并共存于結合位點；而與膜磷脂（PA、PS）分布模式差異顯著（圖4）。上述結果共同表明，PFOA 可能通過 “脂類結合”（與儲存脂質 TG 結合）與 “膜結構擾動”（影響膜磷脂代謝）的雙重機制引發(fā)肝毒性效應。研究首次在水生生物組織層面證實，PFOA的非均勻分布表明傳統(tǒng)“全組織平均濃度”檢測可能低估局部毒性效應，為解析 PFOA 的肝毒性作用靶點及組織微區(qū)蓄積機制提供了直接證據(jù)。
圖3 斑馬魚肝臟中 PFOA 空間分布及暴露誘導的磷脂變化
（A: PFOA 蓄積分布；B: 部分差異磷脂分布特征（CG：對照組、EG：暴露組））
圖4 不同磷脂和PFOA的共定位成像分析
（三）劑量依賴與組織特異性響應：跨器官毒性比較
案例3： PFOA 在斑馬魚不同組織中的積累和凈化對特定磷脂的影響[6]
在前期研究基礎上，進一步研究了PFOA暴露對斑馬魚肝臟、腸道、鰓及大腦組織中磷脂酰膽堿（PC）、磷脂酸（PA）等特定磷脂的劑量依賴性擾動及空間分布特征（圖5）。結果表明，PFOA 暴露引發(fā)的磷脂代謝紊亂呈現(xiàn)顯著的組織特異性響應差異：肝臟、鰓和腦在低劑量暴露后，其磷脂水平可通過凈化過程部分或完全恢復，表現(xiàn)出代謝擾動的可逆性；但腸道作為直接暴露組織，其磷脂變化最廣泛且不可逆，低劑量恢復緩慢，且仍高于正常水平，高劑量下?lián)p傷進一步加劇。研究證實， PFOA暴露對斑馬魚的毒性影響為：腸道＞大腦＞肝臟＞鰓，為解析PFAS類污染物的生態(tài)毒性機制及風險評估提供了重要的時空動態(tài)證據(jù)。
圖5 PFOA暴露與凈化過程中斑馬魚肝臟、鰓、腦、腸道中磷脂變化的空間分布
(CG：對照組；ALEG/AHEG：低/高劑量暴露組；DLEG/DHEG：低/高劑量暴露后凈化組)
展望
當前，MSI 技術在環(huán)境領域的應用尚處發(fā)展階段，但其在 “原位表征污染物-代謝物時空互作”“揭示毒性作用的組織微區(qū)機制” “構建暴露動力學模型”等方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。未來，隨著空間分辨率與檢測靈敏度的持續(xù)提升，MSI將深度賦能新污染物的毒性機制解析、健康風險評估及防控策略制定，推動環(huán)境毒理學研究從 “宏觀分析” 向 “精準可視化”發(fā)展。
參考文獻：
[1]. Wang, J.,et al., Absorption and translocation of selected pharmaceuticals in Pistia stratiotes: Spatial distribution analysis using matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry. Journal of hazardous materials, 2024. 469: p. 134028.
[2]. Bian, Y., et al., Tissue distribution study of perfluorooctanoic acid in exposed zebrafish using MALDI mass spectrometry imaging. Environ Pollut, 2022. 293: p. 118505.
[3]. 李芳與羅茜, 質譜成像技術在環(huán)境污染物分析及毒性研究中的應用進展. 色譜, 2024. 42(02): 第150-158頁.
[4]. Shi, Q., et al., Visualization of the tissue distribution of fullerenols in zebrafish (Danio rerio) using imaging mass spectrometry. Analytical and bioanalytical chemistry, 2020. 412(27): p. 7649-7658.
[5]. Shi, Q., et al., Visualization of PFOA accumulation and its effects on phospholipid in zebrafish liver by MALDI Imaging. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2024. 416(10): p. 2493-2501.
[6]. Shi, Q., et al., Investigating the effects of PFOA accumulation and depuration on specific phospholipids in zebrafish through imaging mass spectrometry. Environmental Science: Processes & Impacts, 2024. 26(4): p. 700-709.
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