解锁看不见的：质谱成像如何改变生物医学研究和诊断。探索推动下一代分子可视化的尖端技术。（2025）
- 质谱成像简介 (MSI)
- MSI的核心原理和方法
- 关键仪器和技术进展
- 生物医学和临床研究中的主要应用
- 制药开发和药物发现中的新兴用途
- 数据分析、可视化和解释挑战
- MSI领域的领先公司和研究机构 (如：bruker.com, thermo.com, nih.gov)
- 市场增长和公众兴趣：趋势和预测（预计2030年前CAGR为12-15%）
- 监管、伦理和标准化考虑
- 未来展望：质谱成像中的创新和新兴前沿
- 来源与参考
质谱成像简介 (MSI)
质谱成像 (MSI) 是一种先进的分析技术，可以直接从生物样品（如组织、细胞或甚至单个细胞）中进行化学化合物的空间映射，而无需标记或对分析物的先前知识。通过将质谱的分子特异性与空间定位相结合，MSI 提供了一个强大的平台，可以可视化各种分子的分布，包括蛋白质、脂质、代谢物和药物，存在复杂的生物基质中。这种能力使得 MSI 成为生物医学研究、药理学、病理学和其他科学领域不可或缺的工具。
MSI 的核心原理涉及从样品表面解吸和电离分子，然后根据质荷比进行检测和识别。MSI 中通常使用几种电离技术，其中基质辅助激光解吸/电离 (MALDI) 和解吸电喷雾电离 (DESI) 是最为突出的。例如，MALDI-MSI 就是利用激光对嵌入基质中的分子进行电离，从而实现高空间分辨率和灵敏度。另一方面，DESI-MSI 允许环境电离，使其适合快速和微创分析。
MSI 通过对样品表面进行点矩阵扫描并在离散空间位置获取质谱，生成详细的分子图像，然后将这些图像重构为二维或三维地图。这些地图揭示了特定分子的空间分布，提供了对组织异质性、疾病机制、药物定位和生物标志物发现的深入见解。MSI 的非靶向特性允许在单次实验中同时检测数百到数千种分子物种，从而使其成为一种独特的综合方法。
MSI 的发展和应用得到了领先科学组织和仪器制造商的支持。例如，美国国立卫生研究院（NIH）资助了众多研究计划，以推进 MSI 技术及其生物医学应用。像布鲁克和热电这样的仪器公司在商业化 MSI 平台和推动该领域的创新方面发挥了关键作用。
截至 2025 年，MSI 依然迅速发展，空间分辨率、灵敏度、数据分析和与其他成像方式的集成等方面持续取得进展。这些发展正在扩展 MSI 在临床诊断、个性化医疗和基础生物研究中的应用，使其成为未来分子成像的基石技术。
MSI的核心原理和方法
质谱成像 (MSI) 是一种强大的分析技术，能够从生物和材料样品的表面进行空间分辨的分子检测和定量。MSI 的核心原理涉及对样品表面分子的电离，随后使用质谱仪进行质荷 (m/z) 分析。该过程生成空间分辨的分子地图，提供代谢物、脂质、蛋白质和其他分析物在复杂样品中的分布见解。
MSI 的方法通常包括几个关键步骤：样品准备、电离、质量分析和数据重构。样品准备至关重要，通常根据感兴趣的分析物和选择的电离技术进行定制。常见的样品类型包括组织切片、微生物菌落和植物材料。样品被安装到导电基板上，以便促进电离并在分析过程中最小化样品移动。
电离是 MSI 中定义的一步，采用若干技术，每种技术适用于不同的分子类别。基质辅助激光解吸/电离 (MALDI) 是最广泛使用的，尤其适合于生物大分子，如肽、蛋白质和脂质。在 MALDI-MSI 中，将基质化合物涂覆在样品表面，基质吸收激光能量并帮助分析物的解吸和电离。其他电离方法包括解吸电喷雾电离 (DESI)，它允许在没有广泛样品准备的情况下进行环境分析，以及二次离子质谱 (SIMS)，这种方法对小分子和元素特别有效。每种技术在空间分辨率、灵敏度和分子覆盖范围方面提供了不同的优势。
在电离后，生成的离子被引入质谱分析仪——通常是飞行时间 (TOF)、Orbitrap 或四极杆分析仪——在这里根据它们的 m/z 比例进行分离。质谱仪在样品表面以离散位置记录质谱，通常以点阵化模式进行。最终生成的数据集包含数千个质谱，每一个对应于样品上的特定位置。
数据处理和可视化对于解释 MSI 结果至关重要。专业软件通过对样品中选定 m/z 值的强度映射重构离子图像，揭示分子的空间分布。越来越多地采用先进的计算方法，包括多变量分析和机器学习，以从复杂的 MSI 数据集中提取有意义的生物或化学信息。
MSI 得到 国立卫生研究院 等组织的支持和推进，该院资助成像质谱领域的研究与开发。还有欧洲生物信息学研究所，提供数据分析和共享的资源。仪器制造商，包括布鲁克和热电，在开发和完善 MSI 平台方面发挥了重要作用，确保了该领域的持续创新。
关键仪器和技术进展
质谱成像 (MSI) 在过去几十年迅速发展，得益于仪器和技术的重大进步。在其核心，MSI 将质谱的分子特异性与空间分辨的采样相结合，使得可以直接在组织切片中可视化生物分子、代谢物、药物和其他分析物的分布。支持 MSI 的关键仪器和技术进展是其在生物医学研究、药理学和临床诊断中不断扩展应用的核心。
在 MSI 中使用的主要质谱仪类型包括飞行时间 (TOF)、Orbitrap 和傅里叶变换离子回旋共振 (FT-ICR) 分析仪。TOF 分析仪通常与基质辅助激光解吸/电离 (MALDI) 结合使用，因其高速和广泛的质量范围而受到重视，适合高通量成像。另一方面，Orbitrap 和 FT-ICR 仪器提供更高的质量分辨率和精度，这对区分等电位物种和复杂分子混合物至关重要。这些高分辨率平台使得能够探测组织内细微的分子差异，推动了空间代谢组学和脂质组学的发展。
电离技术也经历了重大创新。MALDI 依然是 MSI 中最广泛使用的电离方法，因其适配广泛的生物分子以及能够保持空间完整性。近期矩阵应用的发展，例如自动喷雾器和升华装置，改善了矩阵的均匀性，提高了灵敏度和空间分辨率。二次离子质谱 (SIMS) 和解吸电喷雾电离 (DESI) 是提供互补能力的替代电离方法：SIMS 提供亚微米级空间分辨率，而 DESI 则允许在不使用基质的情况下进行环境分析，便于快速的组织分析。
在样品制备、自动化和数据分析等技术进展进一步推动了 MSI。机器人样品处理及精确的舞台控制提高了通量和重复性。集成先进软件进行数据采集和图像重构，使得管理和解释由 MSI 实验产生的大型复杂数据集成为可能。机器学习和人工智能越来越多地应用于 MSI 数据中，实现了自动特征提取和模式识别，对于临床转化至关重要。
仪器制造商和科学组织在推动这些创新方面发挥了重要作用。像布鲁克、热电和安捷伦科技这样的公司处于前沿，提供最先进的 MSI 平台和支持软件。由如国立卫生研究院和欧洲生物信息学研究所等组织牵头的合作努力促进了标准化和数据共享，进一步加速了该领域的技术进展和应用。
生物医学和临床研究中的主要应用
质谱成像 (MSI) 已成为生物医学和临床研究中的一种变革性技术，使得能够直接从组织切片中进行广泛生物分子的空间分辨分析。与传统质谱不同，传统质谱需要均质化和提取，而 MSI 保留了分析物的空间背景，提供了分子图谱，这对理解复杂生物系统和疾病机制至关重要。
MSI 的一个重要应用是在肿瘤学领域。通过绘制肿瘤组织中脂质、代谢物和蛋白质的分布，研究人员可以识别与癌症亚型、进展和治疗反应相关的分子特征。这种空间分辨的分子信息支持新型生物标志物和治疗靶点的发现，有助于个性化医疗策略的制定。例如，MSI 已用于区分肿瘤边缘和健康组织，这对外科手术规划和改善患者结果至关重要。
在神经科学领域，MSI 提供了对脑部分子结构的前所未有的见解。它能够可视化神经递质、肽和药物在不同脑区的分布，促进了对阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病的研究。通过将分子变化与组织病理特征相关联，MSI 有助于阐明疾病机制和治疗干预的影响。
MSI 还越来越多地应用于药理学和药物开发。它允许直接可视化组织中药物化合物及其代谢物，提供有关药物分布、代谢和潜在的脱靶效应的详细信息。这一能力对临床前研究至关重要，支持药物候选者和给药方案的优化。
在临床微生物学中，MSI 已用于研究宿主-病原体相互作用，并根据其独特的分子指纹识别微生物物种。这一应用对快速诊断和理解传染病的分子基础具有重要价值。
MSI 在生物医学研究中的应用得到了如国立卫生研究院和欧洲生物信息学研究所等领先组织的支持，这些机构资助并协调利用 MSI 进行生物标志物发现和疾病映射的大型项目。仪器制造商，包括布鲁克和热电，继续推进 MSI 技术，提高空间分辨率、灵敏度和数据分析能力。
随着 MSI 技术的成熟，预计其在常规临床工作流程中的整合将进一步扩展，为精确诊断、治疗监测以及对人类健康和疾病的深入理解提供新机遇。
制药开发和药物发现中的新兴用途
质谱成像 (MSI) 快速发展成为制药开发和药物发现中的变革性技术，提供直接来自组织样本的空间分辨分子信息，无需标记。这一能力特别有价值，因为它有助于了解药物在细胞和亚细胞水平的分布、代谢和药效学，这些都是新疗法开发中的关键参数。
MSI 在制药研究中的最重要新兴用途之一是评估药物在生物组织中的定位和定量。与需要均质化和提取的传统技术不同，MSI 保留了空间背景，使研究人员能够可视化药物化合物及其代谢物的精确分布。这对于评估候选药物的有效性和安全性尤其重要，因为它允许识别脱靶效应并评估组织特异性的药物动力学。领先的制药公司和研究机构越来越将 MSI 集成到工作流程中，以加速临床前研究和优化主导化合物的选择。
MSI 在生物标志物发现和验证中的作用也至关重要。通过在原位绘制内源分子（如脂质、肽和代谢物），研究人员可以识别与疾病状态或治疗反应相关的分子特征。这种空间分辨的分子分析支持精准医学方法的开发，根据个体患者或疾病亚型的分子特征量身定制治疗。国立卫生研究院和美国食品药品监督管理局都认识到 MSI 在推进以生物标志物驱动的药物开发和监管科学方面的潜力。
此外，MSI 还被利用于研究药物-靶标结合和作用机制。通过可视化药物与其预期的分子靶标或下游效应物的共定位，研究人员可以深入了解治疗机制并优化化合物设计。这在开发复杂的生物制剂和靶向治疗时尤为重要，因为了解组织渗透和细胞摄取至关重要。
MSI 在制药开发中的应用得到了仪器、数据分析和标准化领域的进展的支持，这些努力得到了如临床实验室应用于质谱 (MSACL) 及美国质谱学会等组织的领导。这些组织促进最佳实践、培训和学术界、工业界以及监管机构之间的合作，推动了将 MSI 纳入主流药物发现流程的进展。
随着技术的不断成熟，预计 MSI 将进一步提高制药研究的效率和精准度，支持在 2025 年及以后开发更安全和更有效的治疗手段。
数据分析、可视化和解释挑战
质谱成像 (MSI) 生成高度复杂的多维数据集，这给数据分析、可视化和解释带来了重大挑战。随着 MSI 技术在空间分辨率、灵敏度和通量方面的进步，所得到的数据量也呈指数增长，往往在每次实验中达到 TB 级别。这一数据洪流需要强大的计算基础设施和复杂的分析流程，以提取有意义的生物或化学信息。
MSI 数据分析中的一个主要挑战是原始质谱的预处理。这包括基线校正、标准化、峰值检测和对齐，涉及每个样品数千到数百万个质谱。样品制备、仪器性能和采集参数的变异可能引入伪影和批次效应，从而使下游分析复杂化。欧洲生物信息学研究所和国立卫生研究院等组织的标准化工作旨在开发开放数据格式和质量控制协议，但通用采纳仍需时日。
MSI 数据的可视化是另一个重要难题。与传统质谱不同，MSI 生成空间分辨的分子图谱，通常需要整合数百或数千个离子图像。有效的可视化工具必须让用户能够互动地探索这些高维数据集，将分子分布与组织学图像叠加，并进行区域兴趣分析。像布鲁克的 SCiLS Lab 和开放源代码工具如 MSiReader 和 Cardinal 在这一领域取得了进展，但在可扩展性、用户友好性和互操作性方面仍面临挑战。
MSI 数据的解释还被准确的分子识别和注释的需求所复杂化。现代仪器的高质量精度和分辨率便于推测识别，但明确的分配往往需要串联质谱或正交验证。缺乏全面的空间分辨光谱库限制了对新型或低丰度化合物的自信标识。像国立卫生研究院和欧洲生物信息学研究所等组织正在努力扩展公共库并制定社区标准以进行 MSI 数据共享和注释。
最后，将 MSI 数据与其他组学和成像方式（如基因组学、转录组学、组织病理学）整合带来了机遇与挑战。多模态数据融合需要先进的统计和机器学习方法，以及标准化的元数据和本体。随着 MSI 的不断发展，解决这些数据分析、可视化和解释的挑战对于将复杂的分子地图转化为可操作的生物见解至关重要。
MSI领域的领先公司和研究机构 (如：bruker.com, thermo.com, nih.gov)
质谱成像 (MSI) 已成为生物医学研究、制药开发和临床诊断中的一种变革性技术。该领域由创新的仪器制造商和领先的研究机构共同推动，每个参与者都为 MSI 技术的进步和应用做出了贡献。
在 MSI 仪器中，布鲁克是主要公司之一，是全球科学仪器的领导者。布鲁克提供一系列高分辨率质谱仪和专用的 MSI 平台，例如 MALDI-TOF/TOF 和 MALDI-FTICR 系统，这些系统广泛用于组织样品的空间分辨分子分析。他们的技术被认为能够实现高通量、高灵敏度成像，并且在蛋白质组学、代谢组学和临床病理学的同行评审研究中被频繁引用。
另一家重要参与者是热电，提供先进的质谱解决方案，包括基于 Orbitrap 的系统和 MALDI 成像平台。热电的仪器以其坚固性、灵敏度和与复杂的数据分析和可视化软件的集成而闻名。该公司与学术界和临床研究人员广泛合作，开发新的 MSI 工作流程，特别是在生物标志物发现和药物分布研究方面。
除了商业实体外，还有许多研究机构在 MSI 创新方面处于前沿。美国的国立卫生研究院 （NIH）在 MSI 领域资助并进行广泛的研究。NIH 支持的项目为新成像模式、样品制备技术和数据分析算法的发展作出了贡献，显著扩展了 MSI 在生物医学科学中的能力和应用。
学术中心，如牛津大学和马克斯·普朗克协会，也因在 MSI 方面的开创性研究而受到认可。这些机构建立了专门的质谱成像实验室，跨学科团队在这里开展方法开发、临床转化和将 MSI 与其他成像方式结合的研究。他们的研究成果通常为 MSI 在灵敏度、空间分辨率和分子特异性方面设定了基准。
这些公司和机构共同推动了质谱成像的发展，从基础研究到现实应用。他们持续的创新预计将进一步增强 MSI 的精度、速度和可及性，巩固其在生命科学和医学中的基础技术角色。
市场增长和公众兴趣：趋势和预测（预计2030年前CAGR为12-15%）
质谱成像 (MSI) 已成为一种变革性的分析技术，能够对生物组织、药物和材料进行空间分辨的分子分析。在过去十年中，MSI 市场经历了强劲增长，受益于仪器的进步、生命科学领域应用的扩展及对高分辨率分子映射日益增长的需求。到 2025 年，全球 MSI 市场预计将继续上升，行业分析师和领域利益相关者估计年复合增长率 (CAGR) 约为 12-15%，一直持续到 2030 年。
这一持续市场扩展的几个因素是不可或缺的。首先，MSI 在临床研究中的不断采用，尤其是在肿瘤学、神经学和药物开发领域，显著扩大了用户基础。MSI 可以提供无标记、多重的直接来自组织切片的分子信息，这在生物标志物发现和个性化医疗中格外受重视。领先的研究机构和医院越来越多地将 MSI 纳入其工作流程，进而推动需求。
其次，主要仪器制造商的技术创新提高了 MSI 平台的灵敏度、空间分辨率和通量。像布鲁克和热电这样的公司——都被公认为分析仪器的全球领导者——推出了新一代质谱仪和成像软件，使 MSI 对更广泛的实验室变得更加可访问和易于使用。这些进步还降低了运营成本，改善了数据质量，鼓励在学术界和工业界的采用。
公众对 MSI 的兴趣也在上升，从政府机构和科学组织对质谱研究的资助增加中可见一斑。例如，美国的国立卫生研究院和欧洲的欧洲生物信息学研究所（EMBL-EBI）支持开发基于 MSI 的方法，以进行疾病研究和系统生物学。这些努力提升了 MSI 解答复杂生物医学问题的潜力，并促进了学术界、产业界和医疗服务提供者之间的合作。
展望未来，预计 MSI 市场将受益于对精准医疗的持续投资、生物样本库和组织成像项目的扩展，以及人工智能在数据分析中的整合。随着监管框架的发展和标准化工作的成熟，MSI 有望成为转化研究和诊断中不可或缺的工具，支撑其到 2030 年的强劲增长前景。
监管、伦理和标准化考虑
质谱成像 (MSI) 是一种快速发展的分析技术，能够对生物组织和其他复杂样品进行空间分辨的分子分析。随着 MSI 技术越来越多地融入临床研究、药物开发和诊断，监管、伦理和标准化等问题日益突出。
从监管角度来看，MSI 在临床和诊断环境中的应用必须遵循严格的要求，以确保数据质量、患者安全和可重复性。像美国食品药品监督管理局和欧洲药品管理局等监管机构监督药物开发和诊断中使用的分析方法的批准和确认。这些机构要求对 MSI 协议进行严格的验证，包括准确性、精确性、灵敏度和特异性，尤其是在 MSI 数据用于支持监管提交或临床决策时。FDA 已发布生物分析方法验证指导文件，尽管这些文件不是专门针对 MSI，但为受监管环境中所需的分析严格性提供了框架。
MSI 中的伦理考虑主要围绕人类组织的使用和数据隐私。获取和分析人类样本必须遵循由机构审查委员会建立的伦理标准，并遵守如美国的《健康保险流通与问责法案》 (HIPAA) 和欧盟的《通用数据保护条例》 (GDPR) 等法规。知情同意、患者数据匿名化和安全的数据存储对于保护患者权利和机密性至关重要。此外，由于 MSI 能够揭示详细的分子信息，因此在确保这些数据不会被误用或在未获适当授权的情况下泄露方面存在伦理上的必要性。
标准化是广泛采用和比较 MSI 结果的关键挑战。样品准备、仪器、数据采集和分析方法的变异可能导致各实验室之间的不一致。国际组织，例如国际标准化组织（ISO）和国际ASTM，越来越多地参与开发质谱和相关分析技术的标准和最佳实践。合作努力，如跨实验室研究和能力测试，对于建立共识协议和参考材料至关重要。人类蛋白质组组织（HUPO）在促进蛋白质组学和 MSI 社区内的标准化和数据共享方面也发挥了作用。
总之，随着 MSI 不断发展，应用范围扩大，解决监管、伦理和标准化问题至关重要，以确保这一变革性技术的可靠性、安全性和社会接受度。
未来展望：质谱成像中的创新和新兴前沿
质谱成像 (MSI) 预计将在 2025 年迎来重大进展，推动因素包括仪器、数据分析的创新以及生物医学和材料科学中不断扩展的应用。作为一种能够直接从组织切片或表面进行空间分辨分子分析的技术，MSI 继续发展，提供更高的灵敏度、分辨率和通量。
一个最有前景的方向是下一代电离技术和质量分析仪的开发。高分辨率的基质辅助激光解吸/电离 (MALDI) 和二次离子质谱 (SIMS) 等创新正提升到单细胞甚至亚细胞水平的空间分辨率。这些改进使研究人员能够以空前的细节绘制生物分子地图，促进对细胞异质性和疾病机制新发现的研究。仪器制造商和研究机构积极合作，推动 MSI 技术的边界，像国立卫生研究院等组织支持新成像模式及其生物医学应用的研究。
人工智能 (AI) 和机器学习越来越多地融入 MSI 工作流程，解决大型复杂数据集的挑战。先进的算法能够实现自动特征提取、模式识别和定量分析，加速 MSI 数据的解释并支持临床决策。由如欧洲生物信息学研究所推动的标准化数据格式和开源软件的采用，促进了科学共同体内更大的数据共享和可重复性。
MSI 的未来还包括扩展其超越传统生物医学研究的应用。到 2025 年，制药开发、植物科学、法医学和材料工程领域中的应用预计将不断增长。例如，MSI 正日益用于研究组织中的药物分布、分析植物代谢物以及调查先进材料的成分。MSI 的多功能性还通过多模态成像方法进一步增强，其中 MSI 与光学或电子显微镜结合，以提供互补的结构和分子信息。
- 新兴的环境电离技术，如解吸电喷雾电离 (DESI)，正在实现实时的原位分析，样品准备最小化。
- MSI 平台的微型化和自动化使该技术在临床和现场应用中更易获取。
- 由美国食品药品监督管理局等组织主导的合作倡议正在探索 MSI 在监管科学和个性化医疗中的作用。
随着 MSI 技术的成熟，其在常规研究和临床工作流程中的整合预计将加速，开启分子成像和精确诊断的新前沿。政府机构、学术联盟和行业领导者对 MSI 的持续投资将对塑造未来质谱成像的格局至关重要。
来源与参考
