论文信息

研究背景

脂质不仅构成细胞膜，也参与细胞之间的信息传递。它们分布在什么位置，与细胞的结构和功能密切相关。质谱成像能够在无需分子标记的条件下，为多种脂质绘制空间分布图，让研究者同时了解样品中“有什么分子”和“这些分子在哪里”。当观察对象从组织缩小到神经元树突和细胞内部时，更高的空间分辨率就成为获取这些信息的关键。

近日，海南大学王佳宁教授团队与宁波东方理工大学蔡宗苇教授团队等合作，发展了十倍膨胀质谱成像方法（10X ExMSI）。研究在无需改造商业 MALDI 质谱仪硬件、不依赖像素过采样的条件下，首次实现了脑组织约 500 nm 的等效横向分辨率，并首次将膨胀质谱成像拓展至贴壁培养细胞。该方法在提升空间分辨率的同时，仍能检测多类脂质，为组织与细胞的亚细胞空间组学提供了新的工具。相关成果发表于 Angewandte Chemie International Edition。

这一进展延续了团队在膨胀质谱成像领域的原创探索。早在 2023 年，团队就已提出并实现第一代 ExMSI，在 bioRxiv 公开相关成果，并于 2024 年发表于 CCS Chemistry。第一代方法通过约 4.5–5 倍的物理膨胀，将最佳等效分辨率推进至约 1 μm，展示了利用样品膨胀提升脂质成像分辨率的可行性[1,2]。在此基础上，团队进一步发展了 10X ExMSI，并于 2024 年 10 月在 bioRxiv 公开预印本[3]。此次 Angew 论文系统呈现了十倍膨胀方法及其组织和培养细胞成像结果，使这条技术路线从微米级成像迈向更精细的亚微米分子分析。

无需改造仪器 让脂质成像进入亚微米尺度

10X ExMSI 的核心思路直观而巧妙：先把样品中的空间距离放大，再进行质谱扫描。脑组织线性膨胀约十倍后，仪器每移动 5 μm，对应原始组织中的距离约为 0.5 μm。原本落在同一采样区域、难以区分的相邻结构，由此有机会被分别读取。

这一进展的优势在于，通过样品制备创新拓展现有仪器的成像能力，无需定制高分辨率光学系统，也不依赖重叠像素采集。在具备相应采集能力的稳定商业平台上，研究者因此获得了观察更精细脂质分布的可行路径，降低了开展亚细胞分子成像对专用仪器的依赖。

图1 先膨胀样品，再读取分子分布。10X ExMSI 将商业 MALDI 平台的采集尺度对应到原始组织的亚微米尺度。选自原文图1a。

为使放大的组织能够用于质谱分析，团队采用含 DMAA 的水凝胶，结合不含 SDS 的蛋白酶 K 消化、低温膨胀和受控干燥，使样品在干燥后仍保留约十倍的平面放大结构。整体形态配准得到约 2%–5% 的形变误差，配合精细的基质沉积，为高分辨率脂质成像提供了基础。

沿着神经元树突观察脂质分布

小脑浦肯野细胞伸展出树枝状的突起，用于接收和整合神经信号。这些树突既细密又复杂，是检验成像能力的代表性对象。10X ExMSI 让其中与脂质分布相关的结构逐渐清晰：在 5 μm 采集步长、约 500 nm 等效横向分辨率下，离子图中可以观察到与胞体相连的部分树突结构。

这一改善在对照实验中十分直观。膨胀样品以 50 μm 步长采集时，对浦肯野细胞层的呈现达到或优于未膨胀样品的 5 μm 成像。进一步结合团队此前开发的 DeepION 方法筛选空间共分布离子，再以 UMAP 整合多离子信息，树突形态更易辨认，并与独立切片的 calbindin 免疫荧光结果相符。

图2 从细胞层到树突结构。常规 MSI 与 10X ExMSI 的对照显示，物理膨胀显著改善了小脑脂质图像的结构细节。多离子综合图进一步突出树突形态。选自原文图2，免疫荧光来自独立组织切片。

这些图像把细胞形态与分子组成联系起来。研究发现，多种不饱和磷脂酰胆碱参与形成浦肯野细胞相关的分子特征，为进一步探究脂质如何支持神经元复杂结构提供了空间线索。

在复杂脑组织中分辨局部分子差异

脑组织中，不同细胞及其周围环境紧密相邻。提高空间分辨率，有助于减少这些区域在采样时的信息混合，呈现更局部的分子差异。在海马区域，研究以约 1 μm 的等效横向分辨率观察到具有星形形态的脂质信号分布。结合独立切片的 GFAP 免疫荧光参考，这些特征与星形胶质细胞或星形胶质样细胞相符。

多变量分析进一步显示，细胞相关区域与周围富含硫脂的背景具有不同的脂质特征。在等效500 nm分辨率的小脑成像中，研究还观察到鞘磷脂 SM 34:1;O2 在浦肯野细胞胞体周围的富集分布。这些结果表明，10X ExMSI 能够在完整组织切片的背景下，分辨细胞相关的分子微环境，为后续结合细胞标记研究局部脂质组成提供依据。

图3 脑组织中的细胞相关脂质特征。海马离子图及多变量分析区分了局部细胞样区域与周围背景，小脑成像显示浦肯野细胞层附近的分子分布差异。选自原文图3。

海马、小脑、嗅球和纹状体的进一步实验，也展示了更精细的组织结构或细胞相关分子特征。由此，研究者可以把组织中的具体位置与脂质分布联系起来，为开展不同脑区、不同细胞微环境的比较研究提供新的观察尺度。

首次实现培养细胞的膨胀质谱成像

将 ExMSI 从组织切片拓展至培养细胞，是本研究的另一项核心创新。与组织不同，单层培养细胞缺乏组织结构和细胞外基质的支撑，在膨胀处理过程中更容易变形、脱落或丢失。团队通过载玻片上的原位成胶策略，并针对单层细胞优化消化条件，首次实现了 A549 贴壁培养细胞的膨胀质谱成像。细胞实际膨胀 5–7 倍，5 μm 采集步长对应原始细胞约 0.7–1.0 μm 的等效采样尺度，能够呈现亚细胞脂质分布。

在相同的仪器采集步长下，未膨胀细胞图像中的胞内细节难以辨认，而膨胀后能够更清楚地呈现细胞轮廓与内部信号差异。指认为鞘磷脂和磷脂酰胆碱的离子呈现胞质及核周分布，另一尚未确定分子身份的离子则显示沿细胞边缘延伸的空间特征，展示出细胞内部丰富的分子组织。

图4 在培养细胞中描绘亚细胞脂质分布。膨胀后的 A549 细胞呈现更清晰的轮廓及胞内分子差异。独立细胞载玻片的免疫荧光图提供形态参考，特定细胞器归属仍需进一步验证。选自原文图4。

培养细胞是开展可控干预、研究细胞机制的重要实验体系。研究者可以施加药物处理、基因编辑或代谢扰动，再比较细胞内部脂质分布的变化，并结合常规细胞生物学实验验证其功能。首次实现培养细胞 ExMSI，为这类研究提供了新的空间分子读出，使膨胀质谱成像能够进一步服务于细胞机制研究、药物作用研究和代谢调控研究。

兼顾精细成像与分子信息

对于质谱成像，分辨细节和保留分子信息同样重要。研究对膨胀后的脂质检测进行了系统评估，在正、负离子模式下分别获得 132 和 54 个指认的离子种类，涵盖多类甘油磷脂和鞘脂。正离子模式以磷脂酰胆碱为主，覆盖与新鲜冷冻组织总体相近，说明高倍膨胀后仍能获取丰富的脂质信息。研究也评估了含伯胺脂质的信号降低及部分中性脂质的流失，为后续方法优化提供了依据。

图5 高倍膨胀后保留多类脂质信息。膨胀与未膨胀脑组织的比较展示了主要脂质类别的检测覆盖及其变化。同一脂质的不同加合离子在图中合并计数。选自补充材料图S9。

细胞的功能，既取决于有哪些分子，也取决于这些分子如何在空间中组织。10X ExMSI 将约 500 nm 的脑组织等效成像尺度、培养细胞的亚细胞脂质分析与商业 MALDI 平台的兼容性结合起来，让研究者能够更精细地观察内源性分子的空间分布。这为追问“神经元的不同结构具有怎样的脂质组成”“细胞受到扰动后，分子分布如何变化”等问题提供了新的实验工具，也为神经科学和疾病相关的空间脂质研究拓展了方法基础。

期刊介绍

Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由Wiley出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。