酒精中毒是全球性健康問題，單次急性酒精中毒更是后續(xù)濫用和成癮的重要風(fēng)險因素。傳統(tǒng)研究手段難以兼顧標記需求與空間信息，而質(zhì)譜成像（MSI）作為空間組學(xué)核心技術(shù)，可實現(xiàn)代謝物的原位、無標記定性定量分析，為解析腦內(nèi)空間分子機制提供關(guān)鍵支撐。其中基質(zhì)輔助激光解吸/電離質(zhì)譜成像（MALDI-MSI）應(yīng)用廣泛，開發(fā)高效高分辨的無基質(zhì)質(zhì)譜成像技術(shù)也成為領(lǐng)域研究熱點。

研究采用激光誘導(dǎo)石墨烯作為LDI基底材料，只需通過CO?紅外激光掃描商業(yè)聚酰亞胺薄膜，即可在常溫常壓下快速制備出具有三維多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯（圖1）。該結(jié)構(gòu)顯著增強了對質(zhì)譜離子源常用的343 nm激光的吸收（效率達97%），同時多孔形貌有助于分析物的富集與捕獲，使得利血平檢測限可低至100 fmol。此外，該基底在質(zhì)譜檢測中背景信號極低，信噪比優(yōu)異，制備工藝簡單可控，每平方厘米材料成本僅約0.004美元，批間穩(wěn)定性RSD控制在2.1%以內(nèi)，具備良好的大規(guī)模應(yīng)用潛力。

圖2  LIG-LDI-MSI過程的示意圖

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研究采用TransMIT AP-SMALDI 5AF與賽默飛Orbitrap Exploris 120高分辨質(zhì)譜儀聯(lián)用系統(tǒng)，將小鼠腦組織切片直接貼附于激光誘導(dǎo)石墨烯基底上，無需任何基質(zhì)噴涂，即可進行激光解吸/電離質(zhì)譜成像。

在成像分辨率這一核心技術(shù)指標方面，空間分辨率高達3μm（經(jīng)10-90%邊緣響應(yīng)驗證，平均2.94±0.06μm），圖3展示了3μm分辨率下清晰的組織結(jié)構(gòu)成像；同時實現(xiàn)了寬覆蓋檢測，將小鼠腦、肝組織切片直接置于 LIG 基底上，即可分別鑒定出 156 種和 324 種代謝物，涵蓋脂質(zhì)、核苷酸、氨基酸、神經(jīng)遞質(zhì)等多個類別。

圖3  LIG基底用于LDI-MSI的表征與性能評估

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機制研究表明，20μm厚腦組織切片對343 nm激光透過率約為92%，激光可有效穿透組織到達石墨烯基底，通過瞬時高溫（通過模擬對溫度值進行了量化）實現(xiàn)高效解吸/電離，同時熱影響區(qū)嚴格受限，保證了高分辨率成像。

利用這一技術(shù)，研究團隊對單次酒精中毒（3.5 g/kg乙醇腹腔注射）后不同時間點的年輕雌性小鼠腦組織進行質(zhì)譜成像分析發(fā)現(xiàn)，9種脂質(zhì)分子在小腦、海馬體和皮層等腦區(qū)的左右兩側(cè)呈現(xiàn)出相似的動態(tài)翻轉(zhuǎn)規(guī)律：急性期（30分鐘）左側(cè)脂質(zhì)水平顯著低于右側(cè)；在中期（4小時）雙側(cè)趨于平衡；而到了后期（24小時），這一趨勢發(fā)生逆轉(zhuǎn)，左側(cè)脂質(zhì)水平明顯高于右側(cè)。重復(fù)測量方差分析顯示，時間因素解釋了這一左右比值（L/R）變異的78.5%（p < 0.001），效應(yīng)量極大（圖4）。

圖4  在不同條件下小鼠腦組織切片的LIG-LDI-MSI

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進一步的腦區(qū)異質(zhì)性分析揭示，不同腦區(qū)對這一擾動的響應(yīng)模式和恢復(fù)節(jié)奏存在差異：小腦作為急性作用靶點，30分鐘即出現(xiàn)極強負效應(yīng)（Hedges' g = -3.29），但恢復(fù)迅速，24小時已基本回歸基線；而海馬體和大腦皮層的反應(yīng)更為復(fù)雜持久，不僅在急性期出現(xiàn)顯著下降，且在24小時均發(fā)生正效應(yīng)逆轉(zhuǎn)，尤其以大腦皮層的反轉(zhuǎn)幅度最為明顯（g = 1.41），提示這些高級功能腦區(qū)可能涉及更復(fù)雜的后續(xù)調(diào)控與重塑過程。

激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）這一高性能無基質(zhì) LDI-MSI 基底，其制備簡便、成本低廉、性能優(yōu)異的特點，突破了傳統(tǒng)質(zhì)譜成像技術(shù)的瓶頸，為生物醫(yī)學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)域的空間分子機制研究中打開了新窗口。隨著技術(shù)的進一步優(yōu)化和拓展，其有望在疾病早期診斷、藥物靶點發(fā)現(xiàn)、代謝機制解析等方面發(fā)揮更大作用，為生命科學(xué)研究和臨床轉(zhuǎn)化提供更強大的支撐。

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