新技术助力中药高质量发展：质谱成像技术在中草药质量控制及安全性评价中的应用
新技术助力中药高质量发展：
质谱成像技术在中草药质量控制及安全性评价中的应用
2022年2月，北京协和医学院药物研究所靳洪涛、贺玖明团队在Journal of Ethnopharmacology（《民族药理学》）上发表了题为“Advanced applications of mass spectrometry imaging technology in quality control and safety assessments of traditional Chinese medicines”（质谱成像技术在中草药质量控制及安全性评价中的先进应用）的综述文章，系统介绍了质谱成像技术的原理特点及该技术在中草药成分鉴定分布、中草药质量控制以及药效/毒性标志物和可能的机制研究等方面的应用，为新药的发现和中草药质量控制标准的建立提供新的方向。
引言
中草药在我国已有千年的发展历史，但由于市场中流通中药质量良莠不齐且复方配伍及剂型的多样性，中药引起的不良反应时有发生。然而中药成分复杂且难以完全提取分离是研究药物有效作用部位和具体药理和毒理机制的巨大阻碍。质谱成像（mass spectrometry imaging，MSI）作为新兴的分子成像技术具备质谱分析与图像可视化的功能，可准确识别并定位中草药多种代谢物在组织甚至细胞间的差异性分布快速实现质量筛选，对目标微区组织进行深度代谢组学分析客获得代谢物种类和含量，从而发现中草药各成分的潜在药效或毒性标志物为深入理解中草药可能的药效/毒性作用机制奠定基础。
Figure 1. Experimental process of MALDI-MSI（Kidney）
MSI: 一种中草药多组分植物体内分布的照相机
液质联用（LC-MS）是研究中草药多组分的常规研究手段，其过程一般经过复杂的前处理，需溶剂萃取和色谱柱分离后才能通过仪器分析方法进行结构表征。该过程不仅需要花费大量精力和化学试剂进行样品制备还可能丢失含量较少的分析物或导致活性成分的损。此外LC-MS分析丢失了分析物在组织内的位置信息，而质谱成像技术通过将溶剂的微滴电喷雾到植物组织表面从而对固体的切片进行直接的分析，无需标记和前处理可在保留原位信息的同时高通量检测鉴定中草药各成分的代谢分布情况，尤其适合展现中草药不同组织结构间的物质差异以及天然药物多组分在部位的分布特点。
Figure 2. MSI results of Putterlickia pyracantha stem
MSI：一种简单快捷的中草药质量筛选方式
由于药用植物的多态性使同样的药物即使在不同批次中的质量千差万别，中药市场中假冒伪劣和以次充好的现象时有发生。为提高中药质量的一致性和可控性，中药质量标志物的提出是中药质量监控新的发展趋势。质谱扫描后获得的海量数据同样可采用OPLS-DA和PCA分析以无标记，快速的区分不同药物的活性成分和代谢特征，可方便直接挖掘中药活性成分和质量标记物。
Figure 3. MALDI-MSI for distinguishing ginseng of different ages according the localization of ginsenosides
MSI: 一种天然产物药物代谢分布及多靶点机制研究的工具
中草药的成分差异及配方复杂是药物代谢研究和机制探索中难以打破的瓶颈问题。质谱成像不仅适用展现中草药多组分的在植物组织中的分布，更适合探索中草药各组分在动物器官组织内的药代动力学或药效学信息，例如质谱成像可应用于全身动物组织切片中以观察各活性组分在各器官中的分布代谢情况并确定药物作用的靶器官，靶向呈现活性物质及其代谢产物在组织器官各微区中的特异性分布以推测药物可能的代谢途径。基于质谱成像技术的空间高分辨代谢组学相较于传统的代谢组学研究方法而言可保留组织的完整性并可视化代谢物分布，表征代谢标志物在组织内的分布，并可与病理解剖组织相互印证阐释毒性机制。研究者也可将质谱图片与光学/HE扫描图像叠加后重点研究感兴趣的组织微区或者病灶点以精准地针对目标区域选区提取质谱数据进行代谢研究避免了研究对象难以分离取材的问题。
Figure 4. MALDI-MSI in situ label-free visualization of the tissue distribution of salidroside in mice multiple organs
展望
目前，质谱成像技术已成为动/植物组织甚至单细胞中代谢物分析的强有力工具，为动物组织中外源性药物和植物组织中内源性代谢物的转运途径、代谢通路和积累规律研究提供了新技术, 为中草药快速质量筛选和控制提供了新方法，也为代谢组学分析提供了全新的可视化视角和多维的信息深度。随着质谱成像技术与显微成像、拉曼光谱、磁共振成像等技术相结合，使质谱成像技术在中草药的应用前景更加广阔。
中国医学科学院药物研究所博士生江海燕为本文第一作者。张雅馨、刘志刚、王相宜为本文共同作者，靳洪涛研究员和贺玖明研究员为本文通讯作者。本工作得到国家自然科学基金(81773996, 81773678, 81973476, 82074104)，国家重大科技专项“重大新药开发”项目(2018ZX09735006, 2018ZX09711001-002-001, 2018ZX09201017-005)和中国毒理学学会临床毒理学转化研究项目(CST2019CT105)的资助。