空间糖组学：开启精准医学的“糖密码”
空间糖组学：开启精准医学的“糖密码”
空间糖组学作为精准医学领域的重要分支，通过揭示生物分子的空间分布和相互作用，为疾病诊断和治疗提供了新的视角。本文将为您介绍这一前沿技术的原理、应用现状及未来前景。
引言
空间蛋白质组学（spatial proteomics）被Nature Methods杂志评为 “2024年度技术”，为蛋白质组学在精准医疗中的应用提供了有力的空间信息支撑。这一技术在揭示复杂组织结构方面发挥着关键作用，帮助我们深入了解生物分子、细胞、组织、器官和生物体如何连接、组织和发挥功能，成为推动健康与疾病研究的重要工具。
基于MALDI的质谱成像技术（MALDI-MSI）在拓展空间多组学领域的应用具有极其重要的意义，MALDI-MSI技术能够实现生物样本的高分辨率质谱成像，空间分辨率最高可达5μm，能够同时检测多种分子，包括小分子代谢物、脂质、多肽、蛋白质等。这种高分辨率和多分子检测能力使得MALDI-MSI成为研究生物组织中分子空间分布和相互作用的强大工具。
图1：基于MALDI的空间多组学技术
空间糖组学作为空间蛋白质组学技术的进一步延伸，可以从空间的维度、研究蛋白质糖基化在生命活动中的重要作用，比如细胞间相互作用、信号传导、细胞外基质组织和炎症反应等。空间糖组学的前景诱人，但是发展较为缓慢，这主要是由于与蛋白质连接的聚糖结构的复杂性造成的。与由DNA为模板合成的蛋白质和核酸不同，聚糖的生物合成是没有模板的，是相互关联的生物合成途径的产物，同时受到环境和遗传的影响。另一方面，聚糖的化学构成/结构导致了其较低的质子亲和能力，其电离效率不如同时含有正离子和负离子结构的蛋白/多肽，从而对仪器的灵敏度提出了更高的要求。
图2：糖基化成像技术揭示糖苷的在肿瘤组织区域的特异性
美国南卡罗莱纳医科大学的Richard Drake教授及其课题组开拓性地实现了在组织上对PNGase释放的聚糖进行成像[1]，检测到丰富的聚糖信号，且不同聚糖的分布和病理状态具有高度相关性。Veličković等优化了PNGase原位酶解的孵育条件，测试了各种盐的饱和溶液对酶解产率的影响，发现在保持89%相对湿度的饱和KNO3溶液中能获得最佳性能。最后，他们利用MALDI技术对肾切除组织切片进行质谱成像分析，在35μm的空间分辨率的情况下，实现了高达100个聚糖信号的注释[2]。这充分显示了MALDI质谱成像在空间糖组学研究方面的优越性，它必将成为空间糖组学的 “研究利器”。
图3. 直肠癌组织中6种N-糖的MALDI空间成像结果。通过MALDI成像实验，从结直肠癌标本原位可以检测到几百个N-糖分子信号，其中超过100个N-聚信号与布鲁克的N-聚糖数据库相匹配。图中的6种N-糖分子在肿瘤的区域具有显著的高表达，其中在肿瘤细胞表面呈现高表达的是高甘露糖分子。
图4. 直肠癌组织的N-聚糖成像和H&E染色的共定位分析结果。m/z 2053.815对应的四元N-糖主要分布于结肠癌的粘液瘤区域，而 m/z 1688.647对应的平分型N-乙酰葡萄糖胺则主要存在于上皮隐窝细胞区域，与文献报道结果相一致[3]，而m/z 2122.810和m/z 2448.852的聚糖主要存在于肿瘤基质区域。此外，更复杂的岩藻糖基化 N-糖分子（m/z 2742.983）与典型的B细胞标记物CD20呈现出“空间共定位”的特征。
参考文献
[1] Colin T. McDowell, Xiaowei Lu, Anand S. Mehta, Peggi M. Angel, Richard R. Drake, Applications and Continued Evolution of Glycan Imaging Mass Spectrometry, Mass Spectrometry Review, 2023 42(2), 674–705
[2] Dušan Veličković*, Kumar Sharma, Theodore Alexandrov, Jeffrey B. Hodgin and Christopher R. Anderton, Controlled Humidity Levels for Fine Spatial Detail Information in Enzyme-Assisted N-Glycan MALDI MSI, J. Am. Soc. Mass Spectrom., 2022, 33(8), 1577–1580
[3] Drake RR, Powers TW, Jones EE, Bruner E, Mehta AS, Angel PM (2017), Adv Cancer Res, 134:85. https://doi.org/10.1016/bs.acr.2016.11.009.