基于多模式质谱成像的阿尔茨海默病小鼠模型斑块与区域特异性神经脂质组学研究

《Nature Communications》：Multimodal mass spectrometry imaging for plaque- and region-specific neurolipidomics in Alzheimer’s disease mouse models

本研究针对阿尔茨海默病(AD)中Aβ斑块微环境脂质改变机制不清的问题，开发了整合MALDI-2质谱成像、离子淌度分离和荧光显微镜的多模式框架，实现了5μm高空间分辨率下斑块相关脂质的无偏发现。研究发现Aβ斑块内脂质存在显著异质性，简单神经节苷脂的积累与溶酶体降解基因(Hexa/Hexb/Ctsa)上调相关，首次通过TIMS分离出GM1a/GM1b异构体并揭示其空间分布差异，为理解AD脂质病理提供了新技术视角。

　　

在阿尔茨海默病(Alzheimer's Disease, AD)研究领域，淀粉样蛋白β(Amyloid Beta, Aβ)斑块的渐进性积累一直是核心病理标志。然而，这些斑块形成的生化机制及其对大脑微环境的影响至今尚未完全阐明。尤其令人困惑的是，脂质分子——作为大脑中最丰富的有机分子之一——在AD病理进程中扮演着何种角色？传统研究方法的局限性使得科学家们难以精确捕捉斑块周围脂质分布的复杂图景：有限的化学覆盖度、不足的空间分辨率以及难以区分的异构体形式，都阻碍了对AD脂质病理的深入理解。

正是为了突破这些技术瓶颈，伊利诺伊大学香槟分校的研究团队在《Nature Communications》上发表了创新性研究。他们开发了一套多模式质谱成像框架，首次实现了阿尔茨海默病小鼠大脑中斑块相关脂质的高分辨率、无偏性空间定位，甚至成功分离了传统方法难以区分的脂质异构体。这项工作不仅揭示了Aβ斑块微环境中脂质组成的惊人异质性，还通过整合空间转录组数据，提出了简单神经节苷脂积累的新机制——溶酶体降解途径的激活。

研究人员采用了一套整合仪器与计算的分析流程。关键技术包括：基质辅助激光解吸电离结合激光诱导后电离(MALDI-2)技术提升检测灵敏度，陷阱离子淌度谱(Trapped Ion Mobility Spectrometry, TIMS)实现脂质异构体分离，5μm高空间分辨率质谱成像捕捉斑块微环境细节。计算方面，开发了多模式图像配准流程，将MSI数据与Thioflavin S染色荧光图像精准对齐，通过机器学习算法识别斑块相关像素。研究使用5月龄雌性5xFAD(n=6)和APPNL-G-F(n=7)小鼠模型，通过冷冻切片制备12μm厚冠状脑切片，并整合公开空间转录组数据集进行机制验证。

非靶向发现斑块相关脂质

通过将MALDI-2 MSI数据与Thioflavin S染色荧光图像精准配准，研究人员建立了自动化的斑块像素提取流程。比较斑块像素与对照像素的脂质谱发现，单唾液酸神经节苷脂GM3(36:1)和GM2(36:1)等脂质在斑块内显著富集，而硫苷脂(Sulfatide, ST)则明显耗竭。这种空间分布模式通过on-tissue MS/MS得到了进一步验证。

大脑区域分析

研究揭示了脂质改变存在明显的脑区特异性。海马和大脑皮层等AD易感脑区的脂质改变最为显著，其中GM3(36:1)在海马中的富集程度高于大脑皮层。通过随机森林模型对斑块像素进行脑区来源预测，准确率高达99%，强有力地证明了不同脑区斑块的脂质组成存在本质差异。

t-SNE降维分析进一步将斑块像素划分为14个具有不同脂质特征的簇，这些簇与解剖学脑区高度相关，但在每个脑区内都存在多个亚群，提示斑块脂质组成的微异质性。海马亚区分析显示，下托区域的斑块富含磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol, PI)和溶血磷脂酰肌醇(Lyso-phosphatidylinositol, LPI)，而齿状回和CA1区的斑块则以GM3(36:1)和GM1(36:1)为主。

整合MALDI与空间转录组学

为探究简单神经节苷脂积累的机制，研究整合了公开的空间转录组数据。在5xFAD和APPNL-G-F两种模型中，均发现溶酶体基因Hexa、Hexb和Ctsa显著上调，这些基因编码的酶参与复杂神经节苷脂的降解。基因-脂质共富集分析显示，Hexa/GM3(36:1)和Hexb/GM3(36:1)等基因-脂质对在两种模型中高度一致，支持溶酶体降解是简单神经节苷脂积累的主要驱动力。

陷阱离子淌度分离AD相关糖脂异构体

利用TIMS技术，研究首次在AD脑组织中分离了GM1(36:1)的a和b异构体。通过on-tissue TIMS-MS/MS确认，先洗脱的为GM1b，后洗脱的为GM1a。空间分布显示，虽然两种异构体均在Aβ斑块中富集，但GM1b(36:1)在白质胼胝体中的富集程度低于GM1a(36:1)，提示它们可能通过不同生物合成途径产生并发挥不同功能。

这项研究通过多模式技术平台，首次全面描绘了AD小鼠模型中斑块微环境的神经脂质组学图谱。研究不仅证实了简单神经节苷脂在Aβ斑块中的特异性积累，更重要的是揭示了这种积累的脑区异质性和分子机制。空间转录组数据的整合为溶酶体降解途径提供了有力证据，而TIMS技术的应用则开创了AD研究中脂质异构体空间分辨的先河。

研究的核心意义在于建立了一个可推广的技术框架，该框架结合了高空间分辨率质谱成像、离子淌度分离和计算生物学方法，能够无偏性地发现疾病相关的脂质改变。这种方法不仅适用于AD研究，还可扩展到其他神经退行性疾病和各种组织类型的研究中。特别值得关注的是，研究发现的血浆脂质生物标志物与脑内脂质改变的相关性，为AD的早期诊断提供了新思路。

未来，这一技术平台与单细胞组学、免疫荧光等技术的进一步结合，将有望揭示不同细胞类型对斑块脂质组成的贡献，最终为理解AD病理机制和开发新的治疗策略提供更多见解。