Mass Spectrometry Imaging · Spatial Metabolomics

空间代谢组

常规代谢组要把组织匀浆，测出来的是一个平均值——肿瘤中心和边缘被搅在一起，看不出差别。空间代谢组用质谱成像（MSI）逐点扫描组织切片，每个像素点采集一张质谱图，再把某个分子的信号强度按坐标铺开，就得到了这个分子在组织里的分布图。不用抗体、不用标记，也不用预先知道要看哪个分子。

MALDI-MSI
AFADESI-MSI
20 µm 空间分辨率
离子淌度分离
免标记免抗体
可与空间转录组联合

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20µmMALDI-MSI 空间分辨率，可识别组织微区

2条路线MALDI（加基质）与 AFADESI（常压免基质）双平台

12µm动物组织常规切片厚度（植物常规 30 µm）

50×30×25mm瑞兴切片可接受的样本最大尺寸（长×宽×高）

技术简介

传统的代谢组学技术匀浆提取，无法得到代谢物空间分布信息；若将样品不同部位人工分离，再分别提取分析，步骤繁琐，还会引入人为的误差。

空间代谢组学是通过一项称为"质谱成像"的应用实现的，它通过对样品进行激光扫描来逐点收集光谱，以便从空间上确定代谢物在组织中的分布。

可视化图像差异差异代谢物直接落到组织图上，癌区、癌旁、坏死区一眼分开
可获得组学信息的三维空间分布连续切片叠加后可以看代谢物在三维结构里的走向
从空间维度上对代谢物进行进一步确认一个分子只在某个特定结构里出现，本身就是它身份和含义的额外证据

第三点常被忽略但很实用。一个 m/z 信号如果只在肾小球出现、在皮质和外髓质都没有，那它的身份和生物学含义就有了额外一层证据，比只看总含量靠谱。

空间代谢组示意：组织切片逐点采集质谱并重建代谢物空间分布图 — 逐点采集光谱 → 重建代谢物空间分布

空间代谢组与传统匀浆代谢组对比：保留位置信息 vs 只给平均值 — 匀浆只能给平均值，成像能保留位置

技术原理

MALDI MSI：Matrix Assisted Laser Desorption Ionization，基质辅助激光解吸电离。将待测物分散在基质分子中形成共结晶（利用基质分子吸收激光能量，以防止多余能量直接作用在待测物分子使其发生碎片）；采用激光束照射晶体，由于基质分子经辐射吸收能量，导致蓄积并迅速产热，使基质晶体升华；基质和分析物膨胀进入质量分析器，从而获得样本表面各像素点离子的质荷比和离子强度，与质谱成像软件结合，绘制出对应分子在样本表面的分布图。

拆开说就三步：第一步，在切片表面喷一层基质小分子，让它和组织里的代谢物一起结晶，基质的作用是替代谢物挨激光那一下，避免分子被打碎；第二步，激光按设定好的步长逐点扫过整张切片，每打一个点就采集一张质谱，记录这个位置上所有离子的质荷比和强度；第三步，把某一个 m/z 的强度按像素坐标重新铺成图——这张图就是这个分子在组织里的分布。换一个 m/z，就是另一个分子的分布图，同一份数据可以反复取。

MALDI 质谱成像原理示意：基质共结晶、激光逐点解吸电离、质量分析器采集质荷比与离子强度、重建空间分布图 — MALDI-MSI：基质共结晶 → 激光逐点解吸电离 → 按 m/z 重建分布图

另一条路线：AFADESI-MSI。空气动力辅助解吸电喷雾电离质谱成像（AFADESI-MSI）属于常压敞开式离子化，不需要喷基质，直接用电喷雾溶剂把组织表面的分子解吸下来送进质谱。它的空间分辨率通常略低于 MALDI（文献案例中全脑成像为 30 µm），但样本尺寸限制更宽松、前处理更简单，对大尺寸整体样本（如全脑大视野、叶片平面）更友好。本页案例中，小鼠全脑图谱与棉花体细胞胚两项用的就是 AFADESI-MSI。

平台优势

Bruker MALDI / ESI 高分辨成像组学质谱仪（timsTOF fleX）

具有 MALDI / ESI 双离子源，并可通过软件自动切换——同一台仪器上既能做成像，也能做常规 LC-MS 定性定量，成像结果可以直接拿同平台的 LC-MS/MS 数据去注释。
独特的 TIMS 富集离子淌度功能，提供复杂样本分离新维度。离子淌度按分子的碰撞截面再分一次，能把质荷比相同的同分异构体分开。
20 µm 空间分辨率，识别组织微区——肾小球、隐窝、脑区层状结构这类尺度都能分出来。
首次把离子淌度融入质谱成像，可识别内源性代谢物、脂类等异构体和同素异质分子。

Bruker timsTOF fleX 高分辨成像组学质谱仪 — Bruker timsTOF fleX

免标记、免抗体

不需要针对目标分子准备抗体或探针，未知分子也能被记录下来——这是它相对免疫组化、原位杂交最大的差别。

一份数据可反复挖掘

每个像素点都是一张完整质谱，拿到数据之后换一个 m/z 就是另一张分布图，课题延伸时不用重新上机。

可与空间转录组联合

相邻切片做空间转录组、同批样本做空间代谢组，把"基因在哪表达"和"代谢物在哪富集"对起来，是本页多个案例的共同做法。

技术流程

取材与包埋

新鲜组织吸干表面液体，冰上操作，用 2%–4% CMC 包埋剂包埋后干冰或 −80 ℃ 冷冻

冰冻切片

−20 ℃ 平衡 30 min 后切片，动物常规 12 µm、植物常规 30 µm（范围 8–50 µm）

贴片与干燥

切片转移到预冷 ITO 玻片，手背温度融片贴合，蒸干水分后 −80 ℃ 保存

基质喷涂

MALDI 路线在切片表面喷涂基质形成共结晶；AFADESI 路线跳过此步

逐点扫描

仪器按设定步长（如 20 µm / 30 µm）逐点采集质谱，记录各像素点离子的质荷比与强度

重建与分析

质谱成像软件重建分子分布图，代谢物注释、区域差异筛选与通路富集

瑞兴切片时会切 3 份 ITO 玻片 + 2 份黏附玻片：1 份用于项目检测，其余 2 份作为备用（仪器故障或需要复测时启用）。客户自行切片时，需切 3 份 ITO 玻片寄送。

送样要求

项目	要求	说明
包埋剂关键	推荐 2%–4% CMC（羧甲基纤维素钠）；空代 + 空转联合用 FSC22 蓝色包埋剂	不建议 OCT（对空间代谢信号影响较大）、明胶（不利于贴片）、石蜡（化学处理导致代谢物严重损失）
样本尺寸（瑞兴切片）	最大 50×30×25 mm（长×宽×高）；最小 1.5×1.5×2 mm	超限样本需在新鲜状态下用刀片修剪；冷冻后再切易不规则碎裂
样本尺寸（客户自行切片）	MALDI 最大 60×40×25 mm；AFADESI 最大 150×40 mm	玻片规格 75×25 mm 或 75×50 mm；切片距玻片边缘 ≥5 mm，切片之间间距 ≥5 mm
切片厚度	8–50 µm；动物常规 12 µm，植物常规 30 µm	在保证样本完整的前提下尽量切薄；每份样本切 3 组（ABC），客户按扫描图选择优先级
玻片与份数	瑞兴切片：3 份 ITO 玻片 + 2 份黏附玻片（动物）；客户自切需 3 份 ITO 玻片	1 份用于检测，其余备用；植物样本 3 份
包埋方式	推荐干冰或 −80 ℃ 冰箱冷冻；组织周围不能留有气泡	气泡在冷冻后会在组织周围形成空洞，影响切片；干冰建议敲碎使用，使组织受冷均匀
液氮速冻	动物样本可用（液氮不没过包埋盒）；植物样本禁止液氮速冻	不推荐作为首选；禁止用离心管等容器直接速冻，会改变样本形态
表面处理	新鲜组织取下后用无尘纸吸干表面液体，全程冰上操作	无需 PBS 冲洗；残留水分会在包埋后形成冰晶，影响切片效果
保存与运输	包埋块 / 玻片盒 −80 ℃ 保存；干冰运输，干冰按每天 4 kg 计，厚泡沫箱，容器上下均需干冰覆盖	锡箔纸包裹后放入离心管或冻存盒；禁止样本不包锡箔纸直接放入离心管
送样份数	建议 ≥2 份，多 1 份作为备用	样本不足时一旦出现不合格，项目会被迫中断
标记与资料	包埋时在目标切面画"×"标记并注明方向；随样本提交《样本信息收集表》与包埋、切面照片	矩形样本切面画"×"，切片时沿平行于标记面的方向下刀；圆柱形样本圆形截面为横切、矩形截面为纵切

表：植物与特殊样本的处理方式

样本类型	处理方式	要求与运输
叶片 / 花瓣（可切片截面）	推荐 MALDI；按常规样本用 CMC 包埋后送样，或自行切片后寄送	截面厚度 >1.5 mm，平面 <50×30 mm，超出需剪裁
叶片 / 花瓣（不可切片平面）	用压片或印迹法检测，走 AFADESI，不做常规包埋	新鲜叶片或花瓣厚度 ≤15 mm；常温（带土培养皿固定）或冰袋（硬质塑料板 + 吸水棉 + 保鲜膜 + 锡箔纸）寄送，建议 3 天内送达；送 3 份
中药饮片	常规冰冻切片无法切出，采用印迹法	干燥饮片在保证完整的前提下尽量切薄切平整；硬质塑料板 + 干燥吸水棉 + 保鲜膜 + 锡箔纸，常温寄送
切片完整度低的样本	可做前处理优化：组织固定 24 h 以上 → 15%／30% 蔗糖梯度脱水 → 调整包埋剂浓度（2%–10%、10%–25% 明胶）→ 振动切片或石蜡切片	需客户侧完成制片；个性化操作可能影响代谢物检测的稳定性；需要 3 份黏附玻片

* 送样要求整理自《武汉瑞兴生物空间代谢组送样取样建议》。完整操作细节（包埋剂配制方法、包埋步骤图示、样本信息单填写示例、运输包装图示）请见原文；如无法购买 CMC 包埋剂，可联系销售寄送对应重量的 CMC 粉末或配制溶剂。

分析内容

标准分析 STANDARD

质谱数据预处理峰提取、峰对齐、归一化、背景扣除
代谢物注释精确质量数 + 二级谱匹配，公共数据库与自建库交叉注释
空间分布图重建按 m/z 重建单分子分布图，多分子叠加展示
区域差异代谢物筛选ROI 圈选 + 多元统计（PCA / OPLS-DA），筛差异分子
通路富集KEGG / 代谢通路分析，解释区域代谢重编程

高级分析 ADVANCED

微区自动分割基于 m/z 聚类的无监督组织分区，与 H&E 病理注释对照
分子共定位网络代谢物之间的空间共分布与相关性网络
联合空间转录组代谢物与代谢基因的空间关联，定位"谁在调控谁"
三维分布重构连续切片配准叠加，代谢物三维分布
标志物与分类模型筛选判别分子 / 基因组合，构建分类器并评估预测效能

应用案例

案例一

鼻咽癌空间代谢组 + 空间转录组 · 治疗敏感性

肿瘤生物学与精准医疗

发现生物标志物：直接比较癌区、癌旁区、坏死区的代谢物差异，发现特异性的诊断分子。
指导手术边界：许多代谢物（如特定磷脂、胆碱化合物）在癌与正常组织间存在浓度陡变。MSI 可绘制这些分子的分布梯度，从而在分子层面划定肿瘤边界。
解析耐药机制：分析药物治疗后，耐药区域和敏感区域的代谢变化，揭示耐药机制。
区分肿瘤亚型：根据代谢特征对看似相同的肿瘤进行精细分型，指导个性化用药。

本文对 11 例鼻咽癌（NPC）和 5 例慢性炎症伴增生（CIH）的组织样本进行了空间代谢组学与空间转录组学的联合分析。研究关键结果显示：在治疗敏感或 PD-1 高表达的鼻咽癌组织中，存在显著的代谢重编程，主要表现为支链氨基酸代谢、谷氨酰胺代谢和脂质代谢的活跃。空间分析进一步揭示了前体 T 细胞与恶性上皮细胞之间的相互作用与治疗反应密切相关。研究筛选出六个关键基因（IL4I1、OXCT1、BCAT2、DLD、ALDH1B1、HADH），它们能有效区分治疗敏感与耐药患者，其中 DLD 和 IL4I1 的功能实验证实其调控细胞增殖、迁移与周期进程。基于这些基因构建的分类模型展现出优异的预测效能，为鼻咽癌的预后判断和靶向治疗提供了新的潜在标志物与干预靶点。

鼻咽癌空间代谢组与空间转录组联合分析：治疗敏感组与耐药组的代谢重编程与区域差异 — NPC 治疗敏感 vs 耐药的代谢重编程

鼻咽癌组织微区代谢物表达分析与六个关键基因的空间表达 — 微区代谢物与关键基因空间表达

文献出处：Spatial Metabolomics and Transcriptomics Reveal Metabolic Reprogramming and Cellular Interactions in Nasopharyngeal Carcinoma with High PD-1 Expression and Therapeutic Response，Theranostics（IF 13.3），2025。阅读原文

案例二

小鼠全脑 AFADESI-MSI · 30 µm 全脑代谢图谱

神经科学与脑疾病研究

绘制脑分子图谱：识别不同脑区甚至同一脑区的不同层状结构中的特异性代谢物，直接关联其功能。
揭示疾病机制：将 MSI 技术与免疫组化染色结合，直接分析病理蛋白沉积斑块（如 Aβ 斑块、α-突触核蛋白聚集物）周围的代谢微环境。
追踪药物分布：直接观察药物及其代谢产物能否穿越血脑屏障，并在大脑的哪个部位富集。

本文对小鼠脑组织切片应用了高分辨率空间代谢组学方法，利用改进的 AFADESI-MSI 技术，实现了 30 µm 空间分辨率下的全脑代谢物成像。研究在矢状面脑切片中识别了 15 个微区，共注释 259 种代谢物，涵盖脂类、氨基酸、神经递质等多种分子。关键结果显示：不同脑区具有独特的代谢特征，例如多巴胺分布于纹状体，GABA 富集于下丘脑和黑质，乙酰胆碱集中于皮层和海马；代谢网络分析揭示了脑区间的功能连接，如皮层、海马与脑干之间存在显著负相关；此外，精氨酸-脯氨酸代谢、谷胱甘肽代谢等通路在不同微区中表现出明显差异。该研究首次构建了高清晰度的小鼠脑空间代谢图谱，揭示了脑代谢的特异性与互联性，为理解脑功能与代谢调控提供了重要依据。

小鼠全脑 AFADESI-MSI 空间代谢图谱：矢状面脑切片微区划分与代谢物分布 — 30 µm 全脑成像与 15 个微区划分

小鼠脑区特异性代谢物分布：多巴胺、GABA、乙酰胆碱等神经递质的空间定位 — 神经递质按脑区特异性分布

文献出处：A high-definition spatially resolved metabolomics method to illuminate the metabolic specificity and interconnection across mouse brain，Chinese Chemical Letters（IF 8.9），2026, 37(1):111153。阅读原文

案例三

棉花体细胞胚空间代谢组 + 空间转录组 + 单细胞转录组

植物科学与中药材研究

解析次生代谢物分布：可视化植物有效成分（如生物碱、黄酮、萜类）的合成与储存部位，指导定向育种和采收。
研究抗逆机制：观察植物在遭受病虫害、干旱、盐胁迫时，防御性代谢物在叶片或根部的原位合成与分布动态。
中药材鉴别与质控：道地药材的“药效”与其内在化学成分及其分布密切相关。空间代谢组学可以成为鉴别真伪、评价质量的“黄金标准”。

本文对棉花体细胞胚胎发育过程中的关键组织样本应用了空间代谢组学与空间转录组学、单细胞转录组学相结合的多组学方法，研究对象包括非胚性愈伤组织、球形胚、鱼雷胚和子叶胚四个发育阶段。研究成功构建了高分辨率的空间基因表达图谱和代谢物分布图谱，鉴定出不同组织区域（如皮层、维管组织、子叶）的特异性代谢物，例如 L-精氨酸在子叶中富集，亚油酸在皮层中高表达。研究还发现多胺、植物激素等代谢物在胚胎发生中起关键作用，并进一步通过基因功能验证揭示 AATP1 和 DOX2 基因负调控棉花体细胞胚胎的诱导与发育。该工作首次在棉花中实现了空间多组学整合分析，为解析植物体细胞胚胎发生的代谢与遗传调控网络提供了重要资源。

棉花体细胞胚空间多组学：四个发育阶段的空间基因表达与代谢物分布图谱 — 四个发育阶段的空间表达与代谢图谱

棉花体细胞胚区域特异性代谢物：L-精氨酸富集于子叶、亚油酸高表达于皮层 — L-精氨酸在子叶、亚油酸在皮层

文献出处：Spatiotemporal transcriptome and metabolome landscapes of cotton somatic embryos，Nature Communications（IF 15.7），2025。阅读原文

案例四

糖尿病肾病 AFADESI-MSI + MALDI-MSI · 肾脏区域代谢重编程

药物研发与毒理学

药物 ADME 研究：直接“看到”原药及其代谢产物在肝脏（代谢）、肾脏（排泄）或靶器官（作用）中的分布，全面评估药物的吸收、分布、代谢和排泄过程。
药物安全性评价：发现药物在特定器官（如肝脏、心脏）中引起的局域性代谢紊乱，早期预警潜在的毒副作用。

本文对糖尿病肾病（DN）模型大鼠的肾脏组织切片样本应用了空间代谢组学技术（AFADESI-MSI 与 MALDI-MSI 联用），系统揭示了糖尿病肾病中肾脏不同功能区（皮质、外髓质、内髓质）的特异性代谢重编程。关键结果显示，DN 肾脏存在显著的区域特异性代谢紊乱：在外髓质，葡萄糖过度利用，糖酵解和磷酸戊糖途径代谢流增强；在皮质，则出现葡萄糖和脂质（如甘油二酯、磷脂）的异常积聚。同时，TCA 循环中间体（如柠檬酸、苹果酸）在全肾范围内减少，而长链酰基肉碱在外髓质积累，共同提示线粒体功能发生区域特异性障碍。此外，研究首次可视化并发现磷脂酰丝氨酸 PS(36:2) 特异性地分布于肾小球，可能成为糖尿病肾小球硬化的新生物标志物。该研究充分体现了空间代谢组学在解析复杂器官内部区域特异性病理代谢机制方面的强大能力。

糖尿病肾病大鼠肾脏空间代谢组：皮质、外髓质、内髓质的区域特异性代谢紊乱 — 皮质 / 外髓质 / 内髓质的区域代谢差异

磷脂酰丝氨酸 PS(36:2) 在肾小球特异性分布的空间代谢成像结果 — PS(36:2) 特异性分布于肾小球

文献出处：Spatial-resolved metabolomics reveals tissue-specific metabolic reprogramming in diabetic nephropathy by using mass spectrometry imaging，Acta Pharmaceutica Sinica B（IF 14.6），2021, 11(11):3665–3677。阅读原文

常见问题

包埋剂对空间代谢检测有影响吗？能不能用 OCT？

影响很明显，建议按规范来。我司空代默认使用 CMC（羧甲基纤维素钠，2%–4%）包埋，实验结果表明它对样本信号影响很小，与样本贴合程度较高，能保证切片形态完整。不建议用 OCT——OCT 常用于空间转录组，但 OCT 包埋对空代信号影响较大；明胶与样本表面贴合程度较低，切片不利于贴片；石蜡切片经过多种化学试剂处理，代谢物损失严重，此前检测显示石蜡样本代谢物检出很少。如果既要做空代又要做空转，用 FSC22 蓝色包埋剂可以同时满足两个组学。

只做空间代谢，可以直接寄鲜样吗？

可以，但要先把样本速冻。动物样本用干冰或液氮速冻后用铝箔纸包裹，装入离心管或冻存盒；植物样本禁止液氮速冻，用干冰速冻。需要注意寄送途中的挤压变形风险——动物样本取下时较软，镊子夹取可能产生形变，放入包埋盒后可用非尖头镊子轻轻复原再速冻。我司收到未包埋的样本后，会在切片前进行包埋处理；实验结果显示，包埋后的样本切片边缘形态更完整，鲜样切片边缘会有部分损伤。

切片厚度一般是多少？

默认范围 8–50 µm，在保证样本完整的前提下会选择较薄的厚度。动物常规 12 µm，植物常规 30 µm。每份样本切 3 组，按 ABC 分类，客户根据扫描图选择玻片优先级后再上机检测。

切片碎裂了，还能检测吗？

在样本完整的前提下不影响检测——碎裂只是把一片样本分成多片小样本，样本本身没有损失。切片碎裂常见于植物样本，因为细胞内含有大液泡，冷冻状态下受刀片压力会碎裂，原理类似刀切冰块。教材上的图片多为石蜡切片（经过固定脱水前处理），形态结构保持得更好，冰冻切片确实达不到同等效果，但我会尽可能降低碎裂程度。

切片里有冰晶怎么办？

冰晶形成的原因是冷冻速度太慢。冰晶的大小与生长速率成正比、与成核率成反比，也就是冰晶形成数量越多越小。可以从三个方向改善：一是标本尽量不含水，含水丰富的组织（如脑组织、乳腺）先用吸水纸吸干表面液体；二是使用干冰快速冷冻；三是取样时用蔗糖梯度替换样本中的水分。

包埋时组织周围有气泡怎么处理？

用空的移液枪吸头把气泡吸出，或用针尖将气泡挑出。这一步不能省——气泡在包埋剂冷却后会在组织周围形成空洞，直接影响后续切片效果。另外建议干冰敲碎成碎干冰后再包埋，让组织受冷更均匀，也能减少包埋块冻裂。

叶片、花瓣这类很薄的植物样本怎么送？

看你要看哪个面。如果是叶片或花瓣的截面（切出来是细长条的纵截面），可以正常切片：截面厚度需 >1.5 mm、平面 <50×30 mm，按常规用 CMC 包埋后送样，或自行切片寄送，走 MALDI。如果是叶片或花瓣的平面，因为太薄且面积大，无法切片，需要用压片或印迹方法检测，走 AFADESI：取新鲜叶片或花瓣、厚度 ≤15 mm，常温（带土培养皿固定）或冰袋（硬质塑料板 + 吸水棉 + 保鲜膜 + 锡箔纸，盒内上下铺棉花缓冲）寄送，最好 3 天内送达，送 3 份。

干冰要准备多少？

按每天 4 公斤、根据快递运输天数计算，用厚实的泡沫箱寄送。寄送时把容器（如冻存盒）埋没于干冰中，保证上下都有干冰覆盖。容器选择上，锡箔纸包好的较小组织块可放入 50 mL 离心管，超过离心管直径的用更大的密封容器（如冻存盒）；禁止将样本不经锡箔纸包裹直接放入离心管，否则容易粘在管壁上不易取出。

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