成像技术赋能药物毒理学研究

药物研发过程中，了解药物的药理学、毒性和分布至关重要，通常我们会采用综合的实验技术例如成像技术、类器官、器官芯片、微生理系统等来预测潜在靶标和潜在先导化合物的风险。成像技术包含有MSI、FI、RSI、MRI、PET等，虽然已有的成像技术已经极大地促进了医学和科学的发展，但是在实际应用方面还有很多的不足：

01、常用的免疫组化成像手段分辨率较低且需要标记，在精确验证方面很大的限制。

图：多种组织PAX-８的染色

02、分辨率较高的荧光成像技术需要使用荧光物质标记，从而会改变目标分析物所在的理化环境，可能会引入潜在的伪影。

图：静脉注射某药物后不同时间荷瘤小鼠体内荧光成像
 

03、正电子发生断层影像（PET）和磁共振波谱成像（MRI）只能对已知的标记目标分子进行识别，不能对未知分子进行标记和检测，且非常依赖专业人士解读。

图：患者头部 PET-MRI 影像融合，左侧颞叶内侧病变（黄色箭头）、颞上回前部低代谢（红色箭头）
 

04、放射性核素标记技术的稳定同位素种类较少、价格也比较贵，同时标记多种物质时还需要高分辨率的仪器和特殊的处理方法，故其应用范围有限。

图：99mTc-MIBI心肌血流灌注显像

 

下表是质谱成像技术与其他成像技术的比较（评价维度：技术平台、研究对象、空间分辨率、分子是否标记、检测分子数量、检测灵敏度和分析时间等）。

Doi.org/10.1038/s41401-022-00990-8

由此表看出，质谱成像技术对比其他成像技术具有明显优势，质谱成像技术不仅能提供药物和代谢物的分布信息，还能收集到药效学和生物标志物信息，很大程度上提升了毒理学研究的预测价值。
 

什么是质谱成像技术（MSI）

近年来，质谱成像技术因其能够直观、快速、简便地呈现出分子在细胞或组织中的结构、空间与时间分布等信息，越来越受到科学家们的关注，广泛应用于医学、药学、食品、环境等多个领域的研究中。

质谱成像技术（mass spectrometry imaging，MSI）是一种免标记、高灵敏、高分辨、高通量的新型分子成像方法，是质谱技术和影像可视化技术结合而成的新兴的分子影像技术，直接从组织切片表面检测外源性和内源性代谢物。

质谱成像代谢物检测技术优势

优势一

质谱检测与病理H&E图像相结合，准确显示药物及其代谢产物在组织中的分布，应用于生物样本内源性或外源性分子的定性、定量、定位检测，具有极高的空间分辨率（≥13μm）、灵敏度以及较宽的质量检测范围（m/z 120-1200）

优势二

无需标记即可获得待测本中任意一个或多个小分子物质的分布图像、相对含量等信息（高通量特征），真实反应药物在体内代谢变化，避免由于标记因素改变体内代谢特征和可能的免疫反应，而且空间水平毒性代谢物改变可以有效补充风险预测模型，如GSH（谷胱甘肽）、BAs（胆汁酸）等与毒性相关的内源性小分子。

优势三

与传统影像学不同，质谱成像可以直观地显示药物吸收、分布、代谢与排泄的空间过程，如评价药物在血脑屏障(BBB)各区室的吸收特性和脏器的药物蓄积情况。

优势四

弥补传统影像学应用缺陷，以细胞水平可视化监测异常生物扰动为基础找到药物研发的突破口。

图：大鼠脑冠状切面五色质谱成像图（左）、H&E染色（右）


案 例 分 析

【案例一】

 小鼠脑组织代谢物质谱成像

【诺米代谢技术合作项目】

1. 实验方法

组织：小鼠脑组织，冷冻切片，切片厚度10 μm；

基质：2-氰基-4-羟基肉桂酸（CHCA）;

基质喷涂参数：Z：15 mm；line distance: 2 mm；Velocity: 1000 mm/min；16 Layer；

AP-MALDI离子源：激光能量15%、空间分辨率50 μm、激光速度23 mm/min；

质谱设备：Q Exactive plus质谱。

2. 实验结果

图：H&E染色（左）、小鼠脑组织结构图（右）


图：单代谢物质谱成像图（左）、多代谢物质谱成像图（右）
 

【案例二】

治疗艾滋病药物小鼠给药后体内药物空间分布与人体内的安全性特征一致

【DOI:10.1021/acsptsci.0c00015】

1. 文章概要

① 恩曲他滨(FTC)、替诺福韦(TFV)、依非韦伦(EFV)和利哌韦林(RPV)联合用药被广泛用于治疗艾滋病。

② 通过质谱成像方法，在小鼠体内给药TFV−FTC−EFV和TFV−FTC−RPV后，生成FTC、TFV、EFV和RPV在小鼠多种组织中的空间分布图。尽管RPV与EFV属于同一类药物，在体内给药后，RPV及其代谢物的组织分布与EFV及其代谢物不同。

③ 所观察到药物在小鼠体内的空间分布特征与其在人体中的安全性特征是一致的：TFV与肾毒性相关，EFV与肝毒性、神经毒性有明确相关性，明确了这些药物的局部组织分布，深入了解它们的安全性，并解释了由于积聚而产生的相关毒性。

 2. 实验设计

3. 质谱成像结果



图：TFV、FTC、EFV和RPV在小鼠肝脏、大脑、肾脏、脾脏、心脏中的空间分布。

  总  结  

综上所述，质谱成像技术一次检测可以获得丰富的原型药物、代谢产物和相关内源性小分子化合物信息，供研究者探讨药物毒性与剂量关系、明确治疗安全窗、监测毒性生物标志、判断联合用药的合理性等，保证药物用于临床试验安全、有效、质量可控。