英文原题：2,5-Dihydroxyterephthalic Acid: A Matrix for Improved Detection and Imaging of Amino Acids
通讯作者：王晓东，中央民族大学
作者：Jinxiang Fu (付金祥), Jianchi Gu (顾箭驰), Zhibin Bao (包志彬), Yunpeng Zhou (周云鹏), Hao Hu (胡浩), Chenyu Yang (杨晨钰), Ran Wu (吴冉), Haiqiang Liu (刘海强), Liang Qin (秦亮), Hualei Xu (许华磊), Jinrong Li (李金融), Hua Guo (郭华), Lei Wang (汪磊), Yijun Zhou (周宜君), Xiaodong Wang (王晓东), and Gaopeng Li (李高鹏)
图文解读
近日，中央民族大学生命与环境科学学院 (质谱成像与代谢组学国家民委重点实验室) 王晓东教授团队在基质辅助激光解析电离质谱成像 (Matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging, MALDI-MSI) 内源性氨基酸选择性检测及成像表征新型基质研究领域取得了又一重要进展。研究发现利用2,5-dihydroxyterephthalic acid (DHT) 新基质结合MALDI-MSI新型分子可视化技术，可成功实现人类血清和海洋生物组织 (例如，牡蛎) 样本中全部内源性蛋白质氨基酸选择性检测与成像表征，研究结果明显优于目前常用基质2,5-dihydroxybenzoic acid (DHB) 和α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA)。该成果近期作为封面文章发表于Analytical Chemistry期刊。
MALDI-MSI作为一种无需复杂的样品前处理，无需特异性标记的分子影像技术已被广泛应用诸多领域（如基础医学、药学、动物学、植物学、食品安全和环境科学等）的生物内/外源性分子成像表征研究。然而，MALDI-MS的电离效率和检测效率很大程度上取决于基质的准确选择，合适的基质可将激光能量有效传递给组织表面待测分子，从而实现其高效离子化效能，最终保证高质量的质谱成像结果。
氨基酸是构成蛋白质的基本单位，通过肽键连接形成多肽链。迄今为止，在生物体中共发现了有22种天然氨基酸，其中20种基于通用遗传密码子编码 (蛋白质氨基酸)，2种基于特异性密码子编码。每种氨基酸都具有一个特定的侧链 (或R基团) 连接在中心碳原子上，这些侧链赋予了它们各自独特的化学属性。蛋白质氨基酸在多种生物过程中扮演着关键角色，包括酶催化生物化学反应、细胞和组织支持结构的形成、基因表达调控、细胞信号传导，以及生物活性分子的产生等。它们在蛋白质中的序列和组合决定了蛋白质的一级结构和功能性，凸显了它们在维系生命复杂分子活动中的重要性。
截止目前，对于生物内源性氨基酸的检测通常使用一些适用于小分子化合物检测的基质 (如DHB、CHCA等)。然而，仅仅依赖这些传统基质很难实现同时对生物样本中所有内源性氨基酸的MALDI-MSI 表证，十分缺乏一种专门用于氨基酸选择性 MALDI-MS分析的新型基质。王晓东教授团队通过系统研究发现DHT作为一种有机酸基质，具有强紫外吸收、基质背景干扰小、离子化效率高、微米级结晶尺寸、共结晶形态均一性好、线性动态范围宽等特点 (图1)。
图1. (A) DHT, DHB, CHCA三种基质的紫外-可见光吸收光谱 (液态紫外和固态紫外) 及其摩尔吸光系数和化学结构。(B) DHT, DHB, CHCA三种基质背景信号对比表征。(C) DHT基质沉积光学图。(D) DHT基质检测氨基酸分子线性范围表证。
通过实验研究发现：利用DHT基质结合MALDI-MS可以成功实现对人血清样本中全部蛋白质氨基酸的同时检测，实验效果明显优于目前常用的DHB和CHCA基质，显著增强了MALDI-MS对血清内源性蛋白质氨基酸的表征效能 (图2)。
图2. 基于不同基质: (A) DHT, (B) DHB, (C) CHCA人血清蛋白质氨基酸MALDI-TOF-MS检测对比。(D)维恩分析比较使用三种不同基质血清氨基酸检测效果。
随后，研究团队利用DHT新基质结合MALDI-MSI技术成功完成了对海洋生物牡蛎 (Crassostrea gigas) 组织切片内源性氨基酸的原位检测与成像表征。实验结果清晰地展示了DHT作为一种新型MALDI基质对于海洋生物组织中20种内源性蛋白质氨基酸和牛磺酸的原位检测和可视化表征具有明显优势 (图3)。值得注意的是，本研究首次通过MALDI-MSI成功揭示了20种蛋白氨基酸及牛磺酸在牡蛎组织中的原位空间分布特征，这为进一步探索牡蛎肉质中氨基酸营养成分分布规律及食品开发提供了新的视角。
图3. 牡蛎组织内源性氨基酸MALDI-MSI表征。(A) 牡蛎组织切片中蛋白氨基酸和牛磺酸 (+)MALDI-MS原位检测质谱图。(B) 牡蛎组织切片氨基酸质谱成像图。
总结/展望
综上所述，该研究提供了一种具有基质背景干扰少、离子化效率高、微米级结晶尺寸、共结晶形态均一性好、化学稳定性强、线性动态范围宽等特点的MALDI新基质 (DHT)，并验证了该基质能够用于不同性质样本 (如，血清、组织等) 内源性氨基酸的检测及可视化表征。可以预见，DHT有潜力成为一种标准有机酸MALDI基质广泛用于增强生物样本中氨基酸的MS分子检测及成像分析，拓展人们对于内源性氨基酸表达及组织空间分布形式的系统认识。
该项研究工作得到国家自然科学基金 (31770384、21605164)、中央民族大学青年学术团队培养计划项目 (10301-02200301)，国家民委重点实验室建设项目 (10301-02200303) 等资助。
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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