直接獲取生物組織內(nèi)部磷脂類物質(zhì)的質(zhì)譜分析方法

盧海艷　張建勇　周　煒　魏益平　陳煥文*

1(江西省質(zhì)譜科學(xué)與儀器重點實驗室，東華理工大學(xué)，南昌330013)2(南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院，南昌330006)

直接獲取生物組織內(nèi)部磷脂類物質(zhì)的質(zhì)譜分析方法

盧海艷1張建勇2周煒1魏益平2陳煥文*1

1(江西省質(zhì)譜科學(xué)與儀器重點實驗室，東華理工大學(xué)，南昌330013)2(南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院，南昌330006)

選擇肺癌組織等多種生物組織為代表性樣品，在正離子檢測模式下，以磷脂類物質(zhì)豐度、信號強度高為目標，考察了21種不同組成的CH3OH/H2O溶劑體系，獲得了最佳溶劑(CH3OH-H2O，30∶70，V/V)，建立了一種無需破壞、研磨即可獲取組織內(nèi)部樣品中磷脂類物質(zhì)信號的內(nèi)部萃取電噴霧電離質(zhì)譜(iEESI-MS)方法，并成功應(yīng)用于肺癌、食管癌、豬肉、牛肉、豬肺、豬心等不同生物組織樣品中磷脂類物質(zhì)的直接質(zhì)譜分析。本方法無需樣品預(yù)處理，可通過選擇合適的萃取溶劑來提高方法的分析靈敏度和選擇性，單個樣品的平均分析時間少于1min，樣品耗量少，有望為生物組織樣品中磷脂類物質(zhì)的研究提供一種質(zhì)譜學(xué)新方法。

生物組織樣品;磷脂;萃取劑;內(nèi)部萃取電噴霧電離質(zhì)譜

1　引言

磷脂類物質(zhì)及其代謝物具有重要的生理功能，在細胞生長分化、凋亡吞噬、能量儲存、信號傳遞等生理過程起到重要作用［1，2］。磷脂作為細胞膜的主要組成成分，在細胞中的含量相對較高，是單細胞領(lǐng)域研究備受關(guān)注的物質(zhì)之一［3，4］。由于很多疾病的發(fā)生、發(fā)展都與體內(nèi)磷脂類物質(zhì)含量的變化、代謝紊亂等密切相關(guān)［5］，可作為一些疾病的生物標記物。因此，盡可能全面地得到生物組織樣品中磷脂類物質(zhì)信息，對揭示其在生命體內(nèi)的作用機制、尋找疾病的分子標志物及醫(yī)藥研發(fā)等方面具有重要意義。

然而，由于磷脂類物質(zhì)種類繁多，相互作用復(fù)雜，傳統(tǒng)的分析技術(shù)檢測復(fù)雜樣品(如血漿、組織)中磷脂類物質(zhì)時，一般都要經(jīng)過分離、純化、提取等復(fù)雜的樣品預(yù)處理過程［6］，不僅耗時較長，而且可能帶來不確定因素。直接質(zhì)譜分析技術(shù)，如電噴霧解吸電離(DESI)［7，8］、激光消融電噴霧電離(LAESI)［9］等，因其無需樣品預(yù)處理、樣品耗量少、響應(yīng)速度快、靈敏度高等，可實現(xiàn)生物組織樣品中多種磷脂類物質(zhì)的同時、直接、快速識別。這些方法主要分析組織樣品表面的磷脂，無法實現(xiàn)對整體組織樣品內(nèi)部磷脂的直接檢測。

內(nèi)部萃取電噴霧電離質(zhì)譜(iEESI-MS)技術(shù)直接將萃取劑導(dǎo)入到組織樣品內(nèi)部，可實現(xiàn)組織樣品內(nèi)部小分子代謝產(chǎn)物等組分的直接質(zhì)譜分析［10～12］。本研究采用iEESI-MS技術(shù)，在無需樣品預(yù)處理的條件下，考察了21種不同組成的CH3OH-H2O溶劑體系，獲得CH3OH-H2O(30∶70，V/V)為適合不同生物組織樣品中磷脂類物質(zhì)分析的最佳溶劑，建立了一種無需破壞、研磨即可獲取生物組織樣品內(nèi)部磷脂類物質(zhì)的質(zhì)譜學(xué)新方法。

2　實驗部分

2．1儀器與試劑

內(nèi)部萃取電噴霧電離源(iEESI)為本實驗室自制;LTQ-XL線性離子阱質(zhì)譜儀并配有Xcalibur數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(美國Thermo Scientific公司);質(zhì)譜儀設(shè)置在正離子檢測模式下，質(zhì)量掃描范圍為m/z 50～2000，離子源電壓5．5 kV，離子傳輸管溫度為150℃，毛細管電壓為10 V，透鏡電壓為100 V;在進行串聯(lián)質(zhì)譜分析時，設(shè)置碰撞能量為10～30%，碰撞時間為30 ms，母離子隔離寬度為1．5 Da;其它檢測參數(shù)由LTQ-Tune系統(tǒng)自動優(yōu)化得到。石英毛細管(內(nèi)徑0．10 mm，外徑0．19 mm，美國Agilent Technologies公司);甲醇(色譜純，美國ROE公司)，實驗用水為二次蒸餾水。

2．2實驗方法

iEESI-MS的實施方式如圖1所示。將石英毛細管平行插入組織樣品內(nèi)部，插入組織樣品內(nèi)部的石英毛細管前端距離樣品前沿約2 mm，樣品前端與質(zhì)譜入口的距離為5～6 mm，萃取溶劑以0．5μL/min的流速通過石英毛細管，流經(jīng)組織樣品內(nèi)部并在組織樣品內(nèi)部進行選擇性萃取。在微量進樣針的鋼針部位施加5．5 kV正高壓，在電場的作用下，樣品前端產(chǎn)生大量承載待測物的微小帶電液滴。這些微小帶電液滴去溶劑化后得到氣態(tài)待測物離子，引入質(zhì)譜儀檢測。

圖1　內(nèi)部萃取電噴霧電離質(zhì)譜(iEESI-MS)實驗原理示意圖Fig．1　Schematic diagram of internal extractive electrospray ionization(iEESI)mass spectrometry

本研究所用實驗樣品人體肺癌組織(包括癌癥組織與癌旁組織(距離癌癥組織中心約5 cm))和食管癌組織由南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院提供，其它組織樣品，如豬肺、豬肉、牛肉、豬心等，購自當?shù)厥袌?。所有樣品均儲存?80℃超低溫冰箱中，在進行iEESI-MS分析前，將樣品取出室溫下解凍，樣品無需其它處理，即可直接進行iEESI-MS實驗。在優(yōu)化實驗中，以不同體積比的CH3OH-H2O萃取每種樣品，平行檢測至少3次，確保實驗結(jié)果的重復(fù)性。

3　結(jié)果與討論

3．1萃取溶劑優(yōu)化

為了全面獲取組織樣品中磷脂類物質(zhì)信息，選擇合適的萃取溶劑對提高分析方法的性能具有重要意義。目前，最常用的脂類物質(zhì)萃取方法是傳統(tǒng)的“金標準”法，即Folch or bligh and dyer recipes法［4］。該方法采用CHCl3-CH3OH(2∶1，V/V)混合液為萃取溶劑，但氯仿具有致癌性［13］，且降解產(chǎn)生光氣、氯化氫氣體，可能使一些不穩(wěn)定磷脂類物質(zhì)發(fā)生化學(xué)修［14］，影響檢測結(jié)果的準確性。有文獻報道，改進的二氯甲烷-甲醇(CH2Cl2-CH3OH)［15］、甲基叔丁酰乙醚-甲醇(MTBE-CH3OH)［1］等可用于組織樣品中脂類物質(zhì)的提取，但這些體系均不適于質(zhì)譜進行直接檢測。顯然，在質(zhì)譜分析中，萃取劑既是該待測物的電噴霧液滴，也是影響物質(zhì)萃取效率的重要參數(shù)，不僅所選溶劑本身的化學(xué)及物理性質(zhì)在一定程度上影響獲得的分子信息，而且目標物離子化效率受到溶劑組成和其本身在溶劑中溶解度的影響，相似相溶的規(guī)律依然適用［16］。

實驗選用不同體積比的CH3OH-H2O(0～100%)為萃取溶劑，選擇肺癌患者的癌癥與癌旁組織為實驗樣品，按2．2節(jié)實驗方法測定組織樣品中的磷脂類物質(zhì)，每個比例至少測3次，萃取劑中CH3OH含量對癌癥組織(CA)(圖2a)與癌旁組織(CAB)(圖2b)中二棕櫚酰磷脂酰膽堿(m/z 757，［DPPC+Na］+)、1-棕櫚?；?2-油?；字Ｄ憠A(m/z 783，［POPC+Na］+)、二油酰磷脂酰膽堿(m/z 809，［DOPC+ Na］+)和花生四烯酰-硬脂磷脂酰膽堿(m/z 833，［SAPC+Na］+)的信號強度的影響如圖2所示。

在癌癥組織(圖2a)中，當CH3OH含量在0～15%范圍時，這4種磷脂類物質(zhì)的信號強度隨CH3OH含量的增加而逐漸下降;當CH3OH含量在15%～30%范圍時，癌癥組織中這4種磷脂類物質(zhì)的信號強度隨CH3OH含量的增加而逐漸增大;當CH3OH含量在30%～40%范圍時，它們的信號強度隨CH3OH含量的增加而逐漸下降;當CH3OH含量在35%～75%范圍時，這4種磷脂類物質(zhì)的信號強度不再隨CH3OH含量的增大發(fā)生明顯的變化;當CH3OH含量達到80%時，這4種物質(zhì)的信號強度又開始增大。總體來說，CH3OH含量為30%時，這4種磷脂類物質(zhì)的信號強度最高;當CH3OH含量大于80%后，它們的信號強度先下降后趨于穩(wěn)定。

在癌旁組織(圖2b)中，當CH3OH含量在0～30%范圍時，隨CH3OH含量增加，除m/z757(［DPPC+Na］+)的信號強度變化趨勢不穩(wěn)定外，m/z783(［POPC+Na］+)、m/z809(［DOPC+Na］+)和m/z 833(［SAPC+Na］+)這3種磷脂類物質(zhì)的信號強度基本都逐漸增大;當CH3OH含量在35%時，這4種磷脂類物質(zhì)的信號強度明顯下降;當CH3OH含量在40%～70%范圍時，這4種磷脂類物質(zhì)的信號強度不再隨CH3OH含量的增大發(fā)生明顯的變化;當CH3OH含量達到75%時，這4種物質(zhì)的信號強度又開始增大。但總體來說，CH3OH含量為30%時，這4種磷脂類物質(zhì)的信號強度最高;當CH3OH含量大于75%后，它們的信號強度先下降后趨于穩(wěn)定。綜合考慮，選擇CH3OH-H2O(30∶70，V/V)為癌旁與癌癥組織中磷脂類物質(zhì)的最佳萃取體系。

圖2　溶劑組成對組織樣品中磷脂物質(zhì)信號的影響。癌癥組織(CA)(a)與癌旁組織(CAB)(b)中(1)二棕櫚酰磷脂酰膽堿 (m/z 757，［DPPC+Na］+);(2)1-棕櫚酰基-2-油?；字Ｄ憠A(m/z 783，［POPC+ Na］+);(3)二油酰磷脂酰膽堿(m/z809，［DOPC+Na］+);(4)和花生四烯酰-硬脂磷脂酰膽堿(m/z 833，［SAPC+Na］+)的信號強度隨萃取劑中CH3OH含量的變化情況Fig．2　Effect of solvent constitution of iEESI．(1)dipalmitoyl phosphatidylcholine(m/z757，［DPPC+Na］+); (2)phosphatidylcholine(m/z 783，［POPC+Na］+);(3)oleoyl phosphatidylcholine(m/z 809，［DOPC+ Na］+)and(4)arachidonic acid stearoyl phosphatidylcholine(m/z 833，［SAPC+Na］+)from lung cancer tissue (a)and adjacent tissue(b)with different proportion ofmethanol 1．m/z757;2．m/z 783;3．m/z 809;4．m/z 833．

上述結(jié)果表明，待測物在iEESI源中的電離效率可能與它在萃取劑中的溶解度、萃取劑極性及其本身極性等密切相關(guān)。因此，iEESI方法可通過選擇合適的萃取溶劑提高方法的靈敏度和選擇性。

3．2癌癥組織樣品分析

選擇CH3OH∶H2O(30∶70，V/V)作萃取溶劑，獲取了肺癌組織(圖3a)、肺癌旁組織(圖3b)與食管癌組織(圖3c)的iEESI-MS化學(xué)指紋譜圖。通過進行碰撞誘導(dǎo)解離實驗(CID)和相關(guān)文獻比較證實，這3種組織樣品在m/z 700-900質(zhì)量范圍內(nèi)主要得到磷脂類物質(zhì)，如m/z 757［PC(32∶0)+Na］+，m/z 773［PC(32∶0)+K］+，m/z 783［PC(36∶4)+Na］+，m/z799［PC(36∶4)+K］+，m/z809［PC(36∶2) +Na］+，m/z825［PC(36∶2)+K］+和m/z833［PC(38∶4)+Na］+等。

從肺癌癌癥組織譜圖(圖3a)可見，m/z 783［PC(36∶4)+Na］+，m/z 799［PC(36∶4)+K］+，m/z 809［PC(36∶2)+Na］+，m/z825［PC(36∶2)+K］+，m/z833［PC(38∶4)+Na］+等在癌癥組織中的相對豐度明顯高于它們在癌旁組織中的相對豐度，而m/z757［PC(32∶0)+Na］+在癌癥組織中的相對豐度卻低于它在癌旁組織中的相對豐度。有文獻報道，質(zhì)譜信號峰如m/z 757，783，809，833等都是肺表面活性物質(zhì)(PS)的主要成分［17］。肺表面活性物質(zhì)(PS)是由構(gòu)成肺泡壁的肺泡2型(AT2)細胞分泌，其成分主要包括磷脂類(DPPC占80%)和少量肺表面活性物質(zhì)結(jié)合蛋白。研究發(fā)現(xiàn)，AT2細胞基因突變可致肺癌［18］，家族性肺纖維化和肺癌與表面活性物質(zhì)結(jié)合蛋白D(SP-D)［19］突變有關(guān)。有學(xué)者甚至提出血清中前表面活性物質(zhì)結(jié)合蛋白B(pro-SP-B)是一種肺癌生物標志物的觀點［20］。但目前PS代謝異常與AT2細胞突變成肺癌細胞的關(guān)系尚不明確，還有待于進一步研究。

此外，對比肺癌組織(圖3a)與食管癌組織(圖3c)的化學(xué)指紋譜圖可以看出，在較高質(zhì)量范圍(m/z 700～900)，雖然這兩種組織樣品都主要得到磷脂類物質(zhì)，如m/z726，761，757，773，783，799，809，825等，但是，由于不同組織樣品之間的本體差異，得到的質(zhì)譜信號峰表現(xiàn)出一定的區(qū)別。這主要表現(xiàn)在肺癌癌癥組織得到的磷脂類物質(zhì)明顯比食管癌組織豐富。

圖3　CH3OH∶H2O(30∶70，V/V)作萃取溶劑，iEESI-MS分析不同組織化學(xué)指紋譜圖:(a)肺癌組織、(b)肺癌旁組織，(c)食管癌組織Fig．3　iEESI-MS analysis of different cancer tissues using CH3OH-H2O(30∶70，V/V)as solvent: (a)lung cancer tissue，(b)lung cancer adjacent tissue，(c)esophageal cancer tissue

磷脂類物質(zhì)是細胞膜的主要成分，具有能量儲存［1］、信號傳遞［2］等重要作用。越來越多的研究表明，磷脂類物質(zhì)可以作為癌癥診斷潛在的分子標志物［5］;人類很多疾病的發(fā)生，都與其體內(nèi)部分磷脂類物質(zhì)含量的變化息息相關(guān)，例如磷脂類物質(zhì)在心血管疾病中的作用已經(jīng)得到初步確認［21，22］。因此，建立一種快速、準確的分析生物組織樣品中磷脂類物質(zhì)的方法，對尋找疾病分子標志物，進一步探究疾病的發(fā)病機制與磷脂類物質(zhì)之間的關(guān)系具有重要意義。

3．3其它生物組織樣品分析

選擇CH3OH-H2O(30∶70，V/V)作萃取溶劑，獲取了豬肉(圖4a)、牛肉(圖4b)、豬心(圖4c)、豬肺組織(圖4d)的iEESI-MS譜圖。從圖4可見，在m/z 700～900質(zhì)量范圍內(nèi)，這幾種組織樣品均可得到磷脂類物質(zhì)的質(zhì)譜信號峰，如m/z 757，773，783，799，809，825等，但是，由于不同組織之間存在本體差異，它們質(zhì)譜信號峰也表現(xiàn)出一定的差別。此結(jié)果進一步說明，CH3OH-H2O(30∶70，V/V)溶劑體系，不僅是分析人體癌癥組織樣品中磷脂類物質(zhì)的最佳萃取劑，還適用于豬肉、牛肉、豬肺、豬心等動物組織樣品中磷脂類物質(zhì)的直接質(zhì)譜分析。本研究為生物組織樣品中磷脂類物質(zhì)的分析提供了新思路。

4　結(jié)論

本研究采用iEESI-MS技術(shù)，在無需樣品預(yù)處理的條件下，以磷脂類物質(zhì)豐富、信號強度高為目標，考察了21種不同組成的CH3OH/H2O溶劑體系，確定CH3OH-H2O(30∶70，V/V)為適合不同生物組織樣品中磷脂類物質(zhì)分析的最佳溶劑，建立了一種無需破壞、研磨即可獲取生物組織內(nèi)部樣品中磷脂類物質(zhì)的質(zhì)譜學(xué)新方法。同時進一步說明iEESI-MS方法可以通過選擇合適的萃取溶劑來提高方法的分析靈敏度和選擇性。

圖4　CH3OH-H2O(30∶70，V/V)作萃取溶劑，iEESI-MS分析(a)豬肉、(b)牛肉、(c)豬心、(d)豬肺Fig．4　iEESI-MS analysis of different meat using CH3OH-H2O(30∶70，V/V)as solvent:(a)pork，(b)beef，(c)porcine heart，(d)porcine lung

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Thiswork was supported by the National Natural Science Foundation of China(No．21565004，No．21225522)，Program for Changjiang Scholars and Innovation Research Team in Universities(PCSIRT)(No．IRT13054)

Direct Analysis of Phospholipids in Biological Tissues Using Internal Exlractive Electrospray Ionization Mass Spectrometry

LU Hai-Yan1，ZHANG Jian-Yong2，ZHOUWei1，WEIYi-Ping2，CHEN Huan-Wen*1
1(East China Institute of Technology，Jiangxi Key Laboratory for Mass Spectrometry and Instrumentation，Nanchang 330013，China)2(Second Affiliated Hospital of Nanchang University，Nanchang 330006，China)

Phospholipids and their metabolites play an important role in a variety of cellular processes including cell-cell adhesion，cell growth and differentiation，apoptosis，phagocytosis as well as storage of energy．In this study，the phospholipid composition of cancer tissue and adjacent normal tissue from humans and animals were analyzed by internal extractive electrospray ionization mass spectrometry(iEESI-MS)．Extractive solvent at high voltage(+5．5 kV)was injected into tissue samples using a fused silica capillary at a flow rate of0．5－1μL/min，producing fine charged droplets containing analytes of tissue samples at the tip of the sample．Charged dropletswere directly sampled to the atmospheric inlet of amass spectrometer．Out of 21 different ratios of CH3OH∶H2O solventmixture，the ratio CH3OH∶H2O=30∶70(V/V)showed the optimal phospholipids extraction and visibility in MS．A large number of phospholipids from different tissue samples (such as cancer tissue and adjacent normal tissue of lung cancer，esophageal cancer tissue，pork，beef，porcine heart and porcine lung)were obtained simultaneously by iEESI-MS analysis．The experimental results demonstrated that iEESI-MSwas characterized byminimal sample pretreatment，low sample consumption，and rapid analysis(the analysis time per samplewas less than 1min)，and the selectivity and sensitivity of iEESIMS could be improved by choosing proper solvent．Importantly，the experimental results provided new information for further studies of phospholipids in biological tissues．

Biological tissue;Phospholipids;Extractive solvent;Internal extractive electrospary inozation mass spectrometry

14 January 2016;accepted 20 January 2016)

10．11895/j．issn．0253-3820．160034

2016-01-14收稿;2016-01-20接受

本文系國家自然科學(xué)基金(Nos．21565004，21225522)，長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目(No．IRT13054)

*E-mail:chw8868@gmail．com