科普:谈一谈质谱成像的几个关键问题

     一个多月以前,融智生物宣布达成了业内最高的500像素/秒的MALDI-TOF MS成像速率,从而一举把友商所能达成的大约50像素/秒的成像速率提升了10倍,一个普通的切片样本,一般只需几十分钟即可完成扫描,使得质谱成像走向临床应用真正成为可能。

    关于质谱成像,融智生物并没有停下脚步。近日,融智生物已开始挑战刚刚刷新的质谱成像速率,向更高的质谱成像世界纪录发起挑战。

    在开发成像质谱的过程中,融智生物亦得到了诸多国内顶级质谱成像应用团队的支持和帮助,并且达成了多种合作。到目前为止,包括临床、环境、食品安全、制药等诸多领域的专业团队都已体验了融智生物新一代宽谱定量飞行时间质谱QuanTOF在成像方面的强大性能。而一些横向比对的结果也显示,QuanTOF在质谱成像的全图像重现能力、成像速率、灵敏度等方面获得了友商无法复制的结果。

 

质谱成像,为什么成本那么重要?

    在临床病理分析中,已经大量使用了染色或荧光免疫标记的光学成像方法。与光学成像相比,质谱成像是一种无标记的成像方法,可以获得组织切片中多重的分子信息,同时成像成本也具有优势。

    但这只是理论上的,比如,一些研究机构使用了最低端的50赫兹氮气激光器用于成像,氮气激光器的寿命较短,用于成像,消耗极高,往往做几十张切片就要更换,而更换成本动辄数十万元!因此,即使是“不差钱“的科研领域,也要三思而后切片。

    QuanTOF使用了最先进的5,000/10,000赫兹半导体激光器,在提高成像速度的基础上也大大降低了耗材成本。理论上,激光器可以终身使用而不衰减,因而真正意义上实现了质谱成像的“低成本“。

 

质谱成像,速率为什么那么重要?

    相比目前临床主要的荧光免疫标记成像手段,质谱成像有诸多优势,比如无须染色标记,可一次实现数十至数百种分子的原位分布信息,成像成本低等,但同时,上一代MALDI-TOF MS本身的一些缺陷也导致其难以与荧光免疫成像形成竞争,其中比较主要的因素就是成像速率。

    目前,上一代MALDI-TOF MS的成像速率最高为50像素/秒,即每小时大约可获得50X60X60=150,000张质谱图,而一般的高分辨质谱成像动辄需要上百万张质谱图的拼合,这意味着一张切片的成像时间往往在6小时以上。即使有自动进样装置,上一代MALDI-TOF MS每天也只能处理1-2张切片,这样的成像效率,也就只能发发科研论文,至于临床实际应用,几乎没有应用价值。

    这还不是最严重的。我们知道,MALDI-TOF MS是对真空要求最高的质谱仪,样品是进入真空仓后开始离子化的。在真空状态下,几小时过去,样品切片上的分子会不会挥发,会不会代谢降解,切片的前半部分和后半部分如何保持一致性?

小鼠后脑成像(空间分辨率10微米,500像素/秒, <60分钟)   

    把成像速率提升到500像素/秒后,QuanTOF每小时可生成1,500,000张质谱图,绝大多数临床样本都可以在一小时以内获得结果。一位客户使用友商成像质谱制作了四张切片,花费了近4天时间,而在融智生物,早晨送来切片,当天下午,四张质谱图已制作完成。

 

质谱成像,重现性为什么那么重要?

    众所周知,上一代MALDI-TOF MS的重现性不佳(RSD>30%)。影响MALDI-TOF MS重现性的因素非常多,追根究底,是上一代MALDI-TOF MS在设计时,就留下了诸多性能遗憾。这些因素的叠加,导致上一代观点认为MALDI-TOF MS不是可以定量的质谱仪,因而目前MALDI-TOF MS的主要应用集中于定性测试,比如微生物鉴定、核酸分型分析等。

上一代MALDI-TOF MS较差的重现性会对质谱成像有哪些影响?

    首先,影响MALDI-TOF MS重现性不佳的原因之一是靶板的边缘电场效应。上一代MALDI-TOF MS的靶板带有几万伏的高压,因而会形成靶板不同位置的电势差异。一些友商会通过软件校正等方式,意图弥补这些差异,提升重现性,但显然作用不大,上一代MALDI-TOF MS要想实现定量能力,仍然得需要同位素标记等方法。但这些方法操作烦琐,成本高,根本无法完成普通场景的应用。而对于靶板的电场不均一性问题,表现出来就是同一切片的不同部位(相当于靶板的不同靶点)获得的结果无法保证均一。那么,这张切片的成像质量,从何说起?

QuanTOF的靶板接地技术去除了靶板的边缘电场效应,72个不同靶点质谱图叠加RSD<2%

    其次,影响MALDI-TOF MS定量能力的因素是上一代MALDI-TOF MS一系列的设计遗憾造成的,这些遗憾的叠加形成了人们对MALDI-TOF MS只能定性的判断。因而在质谱成像分析时,只能获得定性结果。但在临床应用中,定性分析远远不够,主流需求仍然要解决定量问题,尤其是在成像的同时完成定量分析。

 

质谱成像,为什么宽谱能力那么重要?

    质谱成像的优势之一是一次可以观察数十、数百甚至更多分子的二维空间分布信息。而上一代MALDI-TOF MS为了实现较高的质量分辨率和灵敏度,采用了“聚焦质量“的技术,即其在一个指定的质量数范围内,才能获得最佳性能的质量分辨率和灵敏度,在该质量数范围之外,质谱仪的分辨率和灵敏度会呈指数下降。虽然MALDI-TOF MS被称为生物质谱,但其在测试抗体蛋白等大分子时也无能为力。

即使是超过20万道尔顿的分子,仍然保持高灵敏度

    QuanTOF通过一系列技术改进,使其真正实现了在宽质量数范围也能达到较高的灵敏度,从而保证了在宽质量数范围同样能够完成测试,能更好地表达切片的信息。

 

融智生物还有多少绝招?

    除了上面提到的,融智生物将在近期发布更高成像速率的结果之外,还会重点关注质谱成像的另一项关键指标:空间分辨率。

    目前,MALDI-TOF MS成像的空间分辨率一般为10微米左右,经过一些特殊设置,最低可到5微米,但其仍然落后于荧光成像的空间分辨率。

    那么,如何将MALDI-TOF MS的空间分辨率进一步缩小?敬请留意融智生物科技公众号,惊喜随时会有!

 

如何让质谱成像走向千家万户

    在融智生物推出新一代宽谱定量飞行时间质谱QuanTOF之前,MALDI-TOF MS质谱成像技术基本为国外垄断。垄断的结果,即是高价。虽然质谱成像已成为质谱应用领域的研究热点,但广大科研人员限于经费问题,面对高昂的价格,只能选择止步,或者自我搭建低性能质谱成像装置。这在一定意义上已经阻碍了我国质谱成像科研与全球同步,甚至引领。

    2017年底,融智生物就提出了打破技术垄断,让质谱成像真正走向平价,走向实际应用,如今,融智生物将逐步兑现承诺。

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