MALDI-MS在各领域的应用概述

秦园，陈祝军

（张家港市疾病预防控制中心，江苏 张家港 215600）

质谱分析是将待测物质电离化，并通过质荷比来检测和鉴定不同物质的一种技术。在很长一段时间里，质谱分析的运用只停留在化学研究领域，并通常和一些预分离技术串联使用，如液相质谱和气相质谱等，但液相质谱和气相质谱无法对生物分子进行空间定位分析。

1988年Karas和Hillenkamp第一次报道了基质辅助激光解吸电离质谱技术(Matrix assisted laser desorption ionization-mass spectrometry, MALDI-MS)的相关实验，他们通过MALDI-MS技术成功地将血清白蛋白从烟碱酸基质中电离出来，这次突破性的研究为分析科学领域开辟了新的前景。随着电子喷雾离子化(Electron spray ionization, ESI)和基质辅助激光解吸离子化(Matrix assisted laser desorption ionization, MALDI)技术的发展，以ESI和MALDI为基础的MALDI-MS技术解决了质谱对生物分子进行空间定位分析的问题，该技术能有效地通过生物分子的离子化，检测其在组织样品中的准确位置。MALDI-MS在化学、生物和医学等领域发挥着重大的作用，对于研究动植物体内、外特异性分子的分布有巨大的前景。质谱的优势在于其精确性，而MALDI加快了检测的速度，MALDI-MS则是集两者于一身的具有高速率、高精确度的检测技术，且MALDI-MS能在飞摩（10～15）乃至阿摩（10～18）水平检测相对分子量高达几十万的生物大分子。

1 MALDI-MS的技术原理

MALDI-MS技术原理是在MALDI离子源部分，用激光照射在样品与基质形成的共结晶薄膜上，基质从激光中吸收能量并传递给样品，使样品中的分子形成质子化、碱金属加成的（M+H）+、（M+Na）+、（M+K）+或脱氢得到（M-H）+等系列准分子离子，形成的离子在质谱系统中得以分离和检测的过程。

MALDI-MS基本工作流程大体包括4部分：样品切片的制备、基质体系的确立与覆盖、质谱分析、数据统计及处理，其中基质体系及其覆盖方式是MALDIMS的关键部分，决定能否获得高质量的成像。基质系统是能与样品混合或包被的具有能量吸附作用的有机化合物溶液，常用的基质有：α-氰基-4-羟基肉桂酸（α-cyano-4-hydroxycinnamic acid, CHCA），二羟基苯甲酸（2,5-dihydroxybenzoic acid, DHB）和3,5-二甲氧基-4-羟基肉桂酸（3,5-dimethoxy-4-hydroxycinnamic acid, SA）。SA和CHCA通常用于检测高、中分子量的蛋白质和肽段；DHB主要用于低分子量的检测，包括：脂类、核酸和阳离子代谢物；9-氨基吖啶（9-aminoacridine, 9-AA）适用于低分子量代谢物的分析，例如一些阴离子代谢物。

2 MALDI-MS的应用

2.1 MALDI-MS在食品中的应用

当前食品安全越来越受到人们的重视，提高食品检测、分析方法的准确性和精确性十分重要。对于食品检测，目前普遍、常用的检测技术多为高效液相质谱联用仪或气相质谱联用仪，主要分析食品中的化学成份，有助于观测食物的功能性和安全性。但随着食品检测项目的扩展和深入，传统检测技术对于研究动植物食品中特异性分子的空间分部具有局限性。

MALDI-MS作为一种新型的检测技术，该技术有其他技术无可比拟的优点：（1）样品无需复杂的前期处理，如提取、纯化、分离和标记。（2）可清晰地观察食品中化学、生物成份的空间分布。MALDI-MS技术已经作为一种新手段应用于食品检测。

MALDI-MS属于一种软电离技术，更适用于混合物及生物大分子的测定，是检测食品中的蛋白质、脂质等的重要手段。实验证明，MALDI-MS能有效的检测新鲜牛奶中添加的奶粉成份和新鲜羊奶中牛奶的成份，可有效区分混合蛋白食品中不同的蛋白成份。MALDI-MS可以同时检测食品中不同脂类的分布，Horn等研究发现：在MALDI-MS的帮助下，检测到了甘油三酯和磷脂在棉籽中的分布；还清晰直观的观察到甘油三酯在牛油果果皮中的分布。Sroyraya通过 MALDI-MS观察到卵磷脂、甘油三酯和鞘磷脂在远洋梭子蟹眼柄中的分布。Zaima等通过MALDI-MS观察到稻谷中溶血磷脂酰胆碱的具体分布，同时还从数据的角度解释了酿酒过程中磨米步骤的重要性，而这一重要且不可缺少的酿酒步骤，在之前一直未被解释清楚。

虽然MALDI-MS作为新型技术弥补了传统技术存在的局限性，但其也并不是十全十美，在某些检测领域仍有短板。Parisa A等发现MALDI-MS在检测白霉乳酪中的桔青霉素时，基质会对结果产生干扰，用13C作为内标，可减少基质产生的干扰。

2.2 MALDI-MS在微生物中的应用

自然界中，每种微生物均有其区别于其他种类的独特的蛋白质组成，且这种遗传特性受外界环境条件等影响较小。基于细菌特异性蛋白分子的MALDI-MS技术是一种全新的微生物快速检测和鉴定技术。应用质谱技术将测得的蛋白质和多肽按分子量大小排列，形成独特的蛋白质组指纹图，通过特征性的模式峰可进行菌株的鉴定。

近年来，西方国家的MALDI-MS技术在微生物实验室广泛应用，与此同时，国内学者们也逐渐重视MALDI-MS在食品微生物鉴定分型方面的应用。MALDI-MS在鉴定食品微生物（如，细菌、酵母菌和大肠杆菌）方面，操作步骤包括：样品准备、点样、质谱分析，通过质谱图与Biotyper数据库标准图谱进行比对分析，即可获得鉴定报告。MALDI-MS最大的优势在于：在鉴定过程中，能进行图像观测、实时数据分析，而且数据能同时批量化处理和编辑，大大缩短了鉴定菌种的时间。

MALDI-MS还广泛用于食源性致病菌的快速鉴定。该方法比传统的鉴定方法速度快，并克服了分子生物学方法不能鉴定到种水平、易污染和易出现假阳性结果的缺陷。同时MALDI-MS技术也已经运用于食品微生物分型和溯源分析上，王耀等人建立单增李斯特氏菌的MALDI-MS快速鉴定和分型方法，并对建库菌株进行同源性分析，为追踪食源性的病菌污染源提供技术支持。

MALDI-MS能快速鉴定单增李斯特菌（Listeria monocytogenes）； 在 沙 门 氏 菌（Salmonella sp．） 的血清分型中表现出较好的能力；对于脆弱拟杆菌（b．fragilis）鉴定与生化测试方法相比，MALDI-MS鉴定的能力更高、准确性更好；在阪崎肠杆菌（Enterobacter sakazakii）等病原菌的快速鉴定应用方面取得很好的效果；以及对于实验室培养、鉴别和分类都比较困难的梭菌，MALDI-MS技术可以快速、准确的鉴定。非发酵菌是人体的机会致病菌，如今已成为院内感染的重要致病菌，而传统表型鉴定方法常出现误诊，MALDI-MS技术在鉴定非发酵菌方面已表现出一定的优越性。在植物细菌鉴定领域，MALDI-MS可以有效鉴定多种生态地区来源的枯萎症病原，还可以用于细菌属的鉴定。

2.3 MALDI-MS在其他领域的应用

MALDI-MS在临床上也展现其实用性，MALDIMS可同时分析组织中成千上万的蛋白质分布的空间位置，但不需要对蛋白质进行标记。

激光共聚焦扫描显微技术通过染色技术，可在亚细胞水平观察蛋白质等分子的变化，但对未知蛋白质等鉴定很难。但是以MALDI-MS为基础的基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time of Flight Mass Spectrometry, MALDITOF-MS)，通过直接扫描生物样品，能研究蛋白质等分子在细胞或组织中的分布，或鉴定细胞中的特征分子，从而可将疾病的发生部位、进程与相关分子紧密联系起来；另一方面，MALDI-MS可准确显示药物及其代谢产物在组织中的分布，揭示它们在体内的位置和生物转化途径。Khatib-Shahidi等已把基于MALDI-MS的质谱成像方法应用于生物药剂学中，将单一的器官组织分析进一步发展到了整体组织中。

另外，研究证明MALDI-MS在临床上可辅助寻找机体潜在的生物标志物，为疾病临床的早期诊断提供参考依据；并能够在组织中研究潜在生物标志物的空间分布及表达的上调或下调，在癌症诊断、病程监控、外科切除有效性评价中具有重要价值。Skold等利用MALDI-MS分子成像技术，在小鼠模型中寻找帕金森病的生物标志物。MALDI-MS用于组织成像是一种全新的分子成像技术，它不局限于特异的一种或者几种分子，它可在组织切片中同时找到多种分子，并提供这些分子在组织中空间分布的精确信息，同时可对这些蛋白质分子的含量进行相对定量。Stoeckli等第一次证明MALDI-MS在病理学研究中适用，获得恶性胶质瘤中不同蛋白的不同分布的影像。与其他检测方式相比，MALDI-MS还较多用于单核苷酸多态性的分型研究上。

MALDI-MS在机体过敏原检测方面，在建立肽段识别和临床过敏原之间的相关性领域都有重要意义。从而可提升临床上过敏原的诊断方法、判断标准和有效的治疗手段，是MALDI-MS在医学领域有待发展的方向。

3 发展前景

虽然MALDI-MS在医学、生物、分析化学等领域有了不小的发展，但仍存在许多问题和挑战尚待解决。例如：基质种类选择性小；基质有可能带来检测的干扰，影响结果的准确性；优秀的质谱图像自动化分析软件以及不同组织样本之间差异分子比较分析所必需的统计软件还亟待开发；在如何处理大量质谱数据并给出可用于临床的诊断分析结果上，还未形成共识；在获取生物组织中小分子化合物的信息时，还必须使用多级串联的质谱分析器等。

随着质谱技术、蛋白质科学和生物信息学等生命科学关键领域的发展，MALDI-MS技术将有可能在功能基因组学、临床蛋白质组学、代谢组学和生物标志物发现等方面发挥巨大作用，并将在食品、环境检测、临床医学、新药开发等众多科学领域中作为新的实验手来段广泛运用。

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