“人類天生便可以或許或許或許或許搜集大批的視覺信息。”范德堡大學醫學院斯坦福·摩爾生歸天學主任與質譜研討中間主任 Richard Caprioli 表現，“咱們喜好圖樣、咱們喜好照片，咱們經由進程一張簡略的照片可以或許或許或許或許取得大批的信息。”

　　在 Caprioli 看來，這一點詮釋了質譜成像手藝(MSI)為甚么愈來愈受接待。出格是這項手藝可以或許或許或許或許贊助構造學家取得本來須要數年能力把握的專業常識。“它接納的不是色采維度，而是份子維度。但這個現實并不是那末首要，只要份子維度有充足的信息量。”他說。

　　質譜成像手藝就像是免疫構造化學的高通量版本，只是不抗體罷了。質譜成像手藝并不為構造切片事前染上出格標記，它操縱質譜儀一次性遴選并繪制成千盈百種份子的空間擺列。研討者無需提早曉得哪一個份子比擬首要，便可以或許或許或許或許操縱該手藝停止繪制遴選，并且速率很快。“咱們的儀器有激光，每秒可以或許或許或許或許做 5000 個質譜。” Caprioli 表現，這一速率足以在一個小時以內掃描包含數百個病患活構造在內的構造微陣列全體。

　　可是，質譜成像手藝的操縱也存在較著的妨礙。比喻說，圖象分辯率跟著光點尺寸的減小而下降，但卻下降了離子資料的產量。該手藝并不開端分手的步驟，是以可以或許或許或許或許會只抽取品貌最高的份子。而在計較方面，研討職員面對的挑釁則是若何對數據停止闡發，出格是若何可以或許或許或許或許真正懂得這些數據。可是不論怎樣說，研討職員正在操縱質譜成像手藝停止研討，不管是肯定亞細胞分辯率下構造切片中的藥物代謝產品，證實疾病的生物標記，仍是辨別腫瘤的邊境等等。他們乃至正在將該手藝引入臨床，最少是靠近于臨床研討。

　　質譜成像手藝的戰略

　　那末，甚么是質譜成像手藝?就像是一張規范的數碼照片，數字成像的色采是經由進程紅綠藍 3 個色采通道疊加而成的，屏幕上每一個小像素的色采都是由這三個色采的密度所構成的。

　　此刻，設想一張具有不計其數個色采通道的圖片。這便是質譜成像手藝， Caprioli 說，每一個通道都是你想要展現的阿誰份子品種或質譜峰。研討職員將這些差別的通道相互籠蓋，便可以或許或許或許或許發生一個針對構造份子構成和空間散布的黑色畫圖，不管是對卵白質、神經肽、代謝份子仍是脂類等構造——較著脂類的須要正在增添。

　　研討職員為質譜成像手藝設想了幾十套計劃，但正如 2012 年的綜述中所說的(J. Proteomics, 75:4883, 2012)，只要三種是最罕見的。 Caprioli 的基質贊助激光分解質譜成像手藝(MALDI-MSI)經由進程紫外線激光光柵掃描一個基質包膜的構造切片來成立圖象。該手藝的像素巨細普通近似于 1 到 10 個微米，象征著它可以或許或許或許或許到達亞細胞分辯率。但由于它須要操縱 MALDI 基質和真空情況，以是 MALDI-MSI 不合用于活體樣本。同時，基質是用來接收激光能量并轉移到樣本上去，可是這類基質可以或許或許或許或許會很難在樣本上操縱并發生大批的小份子量的電離物，這會掩蔽天生光譜的代謝地區。

　　賓夕法尼亞州立大學埃文·普名望化學傳授 Nick Winograd 接納了第二種方式——次級離子質譜法(SIMS)。這類方式經由進程在樣品外表噴鍍離子束讓樣品發生電離感化(比喻說，英國 Ionoptika 公司的帶電 C60 份子或氬團簇束)，不操縱激光。 Winograd 稱，這類方式有兩大長處，第一個是分辯率：SIMS得出的像素約有 300 納米，而MALDI充其量只要1毫米。另外一個是經由進程份子深度分解，研討職員可以或許或許或許或許操縱碰撞而成的坑痕去“深挖”這個樣本，經由進程三維平面化繪制其份子構成物。

　　第三種是電噴霧分解電離手藝(DESI)，這類(非真空的)電離手藝經由進程放射溶劑，將溶劑籠蓋在未經處置的構造外表上，消融外表的份子。而后再延續往上滴溶劑，以使消融物濺到質譜儀上，停止電離和闡發。(Prosolia 公司對 DESI 手藝停止貿易化，該公司由該手藝的發明者、普度大學化學家 R. Graham Cooks 配合開辦。)

　　DESI、MALDI、SIMS 這三種手藝和他們的變體都接納阿姆斯特丹 FOM 研討所 AMOLF 學院 Ron Heeren 所謂的“微探針”情勢，分辯率跟著像素尺寸減小而下降。這外面的題目是若何從盡可以或許或許或許或許小的光點中最大化樣品的電離感化。可是較小的光電也就象征著檢測到的離子會更少，且不要說成像時候會更長了(由于外面的像素會變多)。

　　Heeren 更喜好“顯微”情勢。這類情勢可以或許或許或許或許用散焦像素更快成像，再加上像素檢測器如 CCD，可以或許或許或許或許有用地一次性捕獲 262144(512x512)個光譜。

　　“這就像個相機。” Heeren 詮釋道，“便是一點，咱們制作的是份子閃光照片。”

　　Heeren 覺得這個“質譜顯微鏡”的關頭是 Timepix 探測器，這個探測器是CCD和飛翔時候質譜闡發器的連系。(Heeren 配合創建的 Omics2Image 具有 Timepix 探測器)。他詮釋，大大都質譜檢測裝配將探測器視為一個大的像素，將一切到達外表的離子碰撞整合為一個單一的旌旗燈號。 Timepix 將這個旌旗燈號分紅 262000 個空間分辯的點，如許在探測到成像外表份子時，它們可以或許或許或許或許堅持并記實本身的空間定位，成像速率很是快。

　　有多快? Heeren 說， MALDI-MSI 儀器可以或許或許或許或許發生每秒鐘一個像素，到達一微米的分辯率。是以在一個 100x100 毫米的地區中，要想天生 1 萬個像素須要破費 2.7 個小時。但操縱品德顯微鏡和 Timepix 探測器，“咱們可以或許或許或許或許在一秒鐘內獲得這些信息。”

　　顯微鏡上另有物理電子學 TRIFT SIMS-TOF 體系，上面另有一個 MALDI 手藝， Heeren 團隊比來正在操縱這一手藝摸索骨樞紐炎下的心理變更。“咱們乃至可以或許或許或許或許證實，在卵白質程度和脂代謝程度上的心理變更和軟骨礦化，會致使軟骨機械強度的散失。”他說。

　　常態MSI

　　與 MALDI 和 SIMS 比擬，DESI 和激光燒蝕電噴霧手藝(LAESI，由 Protea Biosciences 推出的激光手藝)這些一般大氣壓下的電離手藝具有一些出格的上風。最較著的上風是，他們不須要停止樣品處置，在一般氛圍中操縱便可，不須要真空。是以，他們可以或許或許或許或許用在活體樣本上，乃至可以或許或許或許或許在患者身上停止操縱。

　　“我本身這輩子的尋求便是：用未處置過的樣品便可以或許或許或許或許停止質譜闡發。”這是 Cooks 幾十年來的方針。

　　作為一個研討者， Cooks 的任務是提取并測定動物生物堿的布局。很長的一段時候內，研討都很是艱苦，他只提取了一點“不純的生物堿，并且也不做出布局方面的停頓”。直到他碰到了從斯坦福大學來報告的Carl Djerassi。他說，Djerassi把他的資料樣品帶回了嘗試室，并搜集它們的質譜，十天后又把布局發了返來。“這讓我信任質譜闡發法的壯大。” Cooks 說，“同時，我也發明提取方式學中存在的范圍性。”

　　從那今后，他起頭從那些在生物上不怎樣好操縱的手藝限定中脫出來，停止質譜闡發，成長了一般氣壓下的電離手藝，出格是 DESI。2011年，由 Cooks 和哈佛醫學院Nathalie Agar 配合帶領的團隊，操縱電噴霧分解電離質譜手藝(DESI-MS)來存儲腦腫瘤構造，操縱脂類特點檢測功效贊助電腦辨別差別情勢和構造病理學分級的神經膠質瘤(一種腦瘤)。

　　對這類闡發來講，脂類是一個怪僻的挑選。簡直，脂類對 MSI 從業者來講便是無法之舉，但他們必須從中獲得最大的代價。在規范的細胞闡發中，研討職員可以或許或許或許或許分手細胞提取物，并去掉不想要的局部，這此中常常就包含脂類。可是在MSI及其余原位操縱中，研討職員必須曉得本身眼前擺著的是甚么。他們眼前擺著的首要是脂類。但榮幸的是，脂類不只品貌高，很是輕易電離，并且信息量也很大。

　　“若是你只看脂類的話，它的構造特點比卵白質要好很多。”倫敦帝國學院醫療質譜局部研討員 Zoltán Takáts 如許說。

　　比來， Cooks 和 Agar 將這一方式操縱到5個正在停止醫治的腦癌病人的 32 個手術標本傍邊。該體系經由進程逐一像素報告了腫瘤的亞型、分級和癌細胞的局部。 Cooks 說，這些數據可以或許或許或許或許讓他們的團隊在繪制腫瘤邊境時找出差別構造病理學級別的各個地區，補充MRI數據。他還夸大，他們操縱的是“最自制的”質譜闡發儀器，Thermo Fisher 公司的單級(與串連絕對)低分辯率 LTQ 離子阱。

　　但 Agar 也指出，這仍是一個研討名目，團隊不能及時將這些功效通報給內科大夫，他們在波士頓搜集樣本，但真正成像倒是在印第安納州。自那今后，她的團隊在布萊罕婦女病院的 AMIGO 手術室裝配了 Bruker 公司操縱 DESI 手藝的 amaZon Speed 離子阱，用來停止腦瘤案例的測試。該手術室是病院的影象指點醫治國度中間。 Agar 說，很快他們會研制出乳腺癌測試，可是團隊依然不能指點內科大夫真正操刀。這類方式起首必須顛末考證，“這終究會須要顛末臨床嘗試停止考證。”

　　簡化數據闡發

　　終究，要想把 MSI 推向臨床，就必須要逾越質譜儀專家，讓真正須要操縱它的人把握這門手藝。可是，不幾個臨床大夫可以或許或許或許或許把握 MSI 手藝、數據處置和信息學的精巧，并且更不人情愿花時候進修了。在 Cooks 看來，若是這項手藝“又嬌貴，并且這項質譜手藝須要博士能力把握”的話，就很難停止推行，“它須要全主動，儀器也不能那末嬌貴，必須要靠得住并且絕對簡略。”

　　對典范的構造病理學操縱來講，這不是甚么題目，由于這個體系可以或許或許或許或許設置裝備擺設成智能盒子(turnkey boxes)，只要經由進程特定的生物標記能力翻開。環球的各大臨床嘗試室已在慣例地操縱非成像質譜儀，包含 Bruker 公司的 MALDI BioTyper 和 Sequenom 公司 MassARRAY。 Caprioli 想要為構造學家和病理學家設想一款近似于顯微鏡的 MSI，儀器小到乃至可以或許或許或許或許塞在桌下。嘗試室手藝員只須要學會若何籌辦樣本、操縱機械，軟件便可以或許或許或許或許停止剩下的操縱。

　　可是像生物標記物判定等更加龐雜的操縱則是另外一回事兒。“質譜成像手藝數據集的巨細取決于圖象像素的數目和質譜儀的分辯率。而最近幾年來，它倆發生了龐大的變更。”勞倫斯-伯克利國度嘗試室迷信家 Ben Bowen 說，他發了然質譜成像手藝的數據闡發軟件。

　　跟著分辯率的進步，像素就會縮短。同時，停止“發明情勢”嘗試的研討職員事后不曉得哪一個份子更加首要，以是他們要將一切份子都斟酌出來，在不計其數個色采通道上停止兩兩比擬。

　　一切這些像素加起來的數據是驚人的。 Bowen 說，他的共事 Trent Northen 在本身的任務中操縱質譜成像手藝，這些年已搜集了幾百萬兆字節的數據。對初學者來講，翻開數據文件都是個題目，這讓他們很是依靠更精曉于這項手藝的專家。“你就會曉得為甚么它讓這些迷信家如斯不悅了。” Bowen 說。

　　為了加重他們的承擔， Northen 和 Bowen 與伯克利嘗試室數據可視化專家 Oliver Ruebel 一起研發了 OpenMSI 的云計較平臺，用戶可以或許或許或許或許間接在閱讀器上閱讀和操縱質譜成像手藝的云計較數據。 Bowen 先容，美國動力部國度動力研討迷信計較機中間(NERSC)的超等計較機用于撐持該體系，將數據處置時候從幾天削減到幾分鐘。

　　Bowen 說，他和 Northen 的協作者之一可以或許或許或許或許操縱 OpenMSI 具體研討 50 千兆字節的數據集，這個數據集他在一年半前就搜集到了，可是一向不方法停止研討。“此刻他就在(谷歌)閱讀器中操縱這項手藝。”他舉例說，包含閱讀RGB圖象，查驗上面的光譜，并與共事分享數據，“一切你能想到的 21 世紀互聯網所供給的功效，咱們都能在 OpenMSI 上完成質譜成像手藝的這一功效。”

　　手術室的質譜儀

　　可是要想達光臨床可譯性的最優化，研討職員可以或許或許或許或許必須要離開MSI的成像局部。這便是倫敦帝國學院 Takáts 的研討功效。

　　Takáts 是 Cooks 之前的博士后，作為論文第一作者初次對 DESI 停止描寫。他研發并正在檢測一種新的非真空電離手藝——疾速蒸氣電離質譜儀(REIMS)，并設想了 iKnife 智能手術刀，內科大夫可以或許或許或許或許在手術室就搞定構造的構造學和構造病理學題目。

　　“終究的裝備很是簡略。” Takáts 詮釋道，并且還依靠電內科手藝，這類切割手藝操縱電流氣化構造。這個進程開釋的煙霧是焦油、微粒物資和電離脂質的組合，iKnife延續提取樣本放入附在中間的聚四氟乙烯管，而后放入質譜儀。

　　在曩昔幾年內， Takáts 成立的數據庫包含了近 20 萬人類癌癥和安康構造的脂類樣本。經由進程這些數據，他證了然可以或許或許或許或許經由進程脂類生物標記區分差別的樣本。是以，操縱在電內科進程中發生的離子化的脂類特點，他的體系可以或許或許或許或許根基上及時地肯定iKnife上面的構造是安康的仍是癌變的，和其構造學狀況。

　　但要說明的是，這外面不成像。“出來的診斷功效是構造學程度的判定。” Takáts 說，“這個體系會告知你這長短小細胞肺癌，2 期之類的。”

　　在匈牙利、德國和英國，iKnife(MediMass 公司和帝國學院的研發功效)已在跨越 500 個手術中停止檢測，“在絕大大都案例中，可以或許或許或許或許到達 100% 的分類準確率。” Takáts 說，涵蓋了胃腸道癌、肝癌、肺癌、乳腺癌和腦癌。在有些案例中，大夫本覺得是腫瘤，可是該手藝卻證實只是良性構造或炎癥性疾病。此刻， Takáts 正在研發一種新的體系，可以或許或許或許或許為內窺鏡查抄停止近似的評價。

　　Takáts 表現，終究，這類操縱可以或許或許或許或許會讓 MSI 變得“意思不凡”，不只是作為一個研討東西，更是作為慣例的臨床手藝。他指出，構造病理學研討者可以或許或許或許或許不情愿接管這類絕對較慢、并且價錢昂揚的手藝。但他也表現，是這款儀器的速率和價錢城市有所改良。以往，要想停止這項檢測，最好的機會是要在剖解后期待半個小時能力停止檢測。若是這項手藝可以或許或許或許或許大夫在幾秒鐘內供給診斷，并且是體內的，那末人們就會更偏向于這項手藝。

　　“這套體系的上風是構造病理學所不能及的。”他說。