Mass Spectrometry Imaging یا MSI روشی برای ساخت نقشه مولکولی از یک برش بافت است؛ نقشه‌ای که نشان می‌دهد مولکول‌های مختلف در کدام ناحیه بافت قرار گرفته‌اند. برخلاف بسیاری از روش‌های تصویربرداری، MSI می‌تواند بدون اتصال برچسب فلورسنت یا رادیواکتیو به مولکول موردنظر، داروها، متابولیت‌ها، لیپیدها، پپتیدها و برخی پروتئین‌ها را بر اساس نسبت جرم به بار (m/z) آشکار کند.
Mass Spectrometry Imaging چیست؟
در طیف‌سنجی جرمی معمولی معمولاً نمونه استخراج یا همگن می‌شود و اطلاعات مکانی آن از بین می‌رود. در MSI، دستگاه نقطه‌به‌نقطه سطح یک برش نازک بافت را اندازه‌گیری می‌کند. برای هر نقطه یک طیف جرمی ثبت می‌شود و نرم‌افزار از شدت یون‌های انتخابی، نقشه‌های دوبعدی می‌سازد. به این ترتیب می‌توان اطلاعات شیمیایی را با ساختار بافت‌شناسی تطبیق داد.
MALDI-MSI چگونه کار می‌کند؟
یکی از رایج‌ترین روش‌ها MALDI-MSI است. برش بافت روی اسلاید قرار می‌گیرد، ماتریس مناسب روی آن اعمال می‌شود و لیزر سطح نمونه را در شبکه‌ای از نقاط اسکن می‌کند. مولکول‌های یونیزه‌شده وارد آنالایزر جرمی می‌شوند و برای هر مختصات، طیف ثبت می‌شود. خروجی نهایی مجموعه‌ای از نقشه‌های مولکولی است که توزیع ترکیبات مختلف را در همان بافت نشان می‌دهد.
چرا MSI برای توسعه دارو اهمیت دارد؟
در توسعه دارو فقط دانستن غلظت کل یک دارو در یک عضو کافی نیست. ممکن است دارو وارد عضو شده باشد اما به ناحیه بیماری، تومور یا ریزمحیط موردنظر نرسیده باشد. MSI می‌تواند توزیع داروی مادر و در بسیاری از مطالعات متابولیت‌های آن را با حفظ موقعیت مکانی نشان دهد. این ویژگی برای بررسی نفوذ دارو، متابولیسم موضعی، ناهمگنی بافت و ارتباط توزیع دارو با پاسخ درمانی ارزشمند است.
آیا MSI واقعاً اتصال دارو به پروتئین هدف را مستقیماً می‌بیند؟
اینجا یک نکته علمی مهم وجود دارد. نقشه هم‌مکانی دارو و پروتئین به‌تنهایی اثبات نمی‌کند که دارو واقعاً به آن پروتئین متصل شده است. MSI به‌صورت مستقیم و بسیار قدرتمند می‌تواند حضور و توزیع فضایی دارو و مجموعه بزرگی از مولکول‌های بافت را نشان دهد؛ اما اثبات target engagement یا درگیری مولکولی دارو با هدف، بسته به نوع دارو و هدف، معمولاً به طراحی آزمایش اختصاصی یا ترکیب MSI با روش‌های مکمل نیاز دارد.
بنابراین بهتر است سه مفهوم را جدا کنیم: Drug distribution یعنی دارو کجاست؛ co-localization یعنی دارو و نشانگر هدف در نواحی مشابه دیده می‌شوند؛ و target engagement یعنی شواهد نشان می‌دهد دارو واقعاً با هدف مولکولی موردنظر درگیر شده است. MSI در دو مورد اول بسیار قدرتمند است و در مورد سوم می‌تواند بخشی از یک workflow چندروشی باشد.
چگونه دارو و هدف را داخل بافت مقایسه می‌کنند؟
پژوهشگر می‌تواند نقشه یون اختصاصی دارو را با نقشه‌های مولکولی بافت، پپتیدهای حاصل از هضم روی بافت، ایمونوهیستوشیمی یا دیگر روش‌های spatial biology هم‌تراز کند. اگر نقشه دارو با ناحیه‌ای که هدف یا مسیر زیستی مرتبط در آن حضور دارد همپوشانی داشته باشد، اطلاعات بسیار ارزشمندی درباره دسترسی دارو به محل اثر به دست می‌آید. برای نتیجه‌گیری درباره اتصال واقعی، باید کنترل‌ها و آزمون‌های مناسب نیز وجود داشته باشند.
مزیت MSI نسبت به همگن‌سازی بافت و LC-MS چیست؟
LC-MS روی هموژنات بافت می‌تواند اندازه‌گیری کمی بسیار دقیق ارائه کند، اما پس از خردکردن بافت دیگر مشخص نیست ترکیب موردنظر دقیقاً در کدام بخش قرار داشته است. MSI این اطلاعات فضایی را حفظ می‌کند. به همین دلیل در بسیاری از پروژه‌ها MSI و LC-MS رقیب یکدیگر نیستند؛ بلکه مکمل هم هستند: یکی نقشه مکانی می‌دهد و دیگری می‌تواند برای کمی‌سازی دقیق و تأیید ساختاری استفاده شود.
کاربردهای مهم Mass Spectrometry Imaging
- بررسی توزیع دارو و متابولیت‌های آن در بافت
- مطالعه نفوذ دارو به بخش‌های مختلف تومور
- مقایسه بافت سالم و بیمار بر اساس امضای مولکولی
- نقشه‌برداری لیپیدها، متابولیت‌ها، پپتیدها و پروتئین‌ها
- پشتیبانی از تحقیقات فارماکوکینتیک و فارماکودینامیک
- ترکیب با هیستولوژی، ایمونوهیستوشیمی و spatial omics
محدودیت‌های MSI چیست؟
وضوح مکانی، حساسیت، اثرات ماتریس، آماده‌سازی نمونه، شناسایی قطعی مولکول‌ها و کمی‌سازی از چالش‌های مهم هستند. همچنین یک تصویر رنگی جذاب از همپوشانی دو سیگنال نباید بدون شواهد کافی به‌عنوان اثبات اتصال مولکولی تفسیر شود. انتخاب روش یونیزاسیون، استاندارد داخلی، کنترل‌های آزمایشی و اعتبارسنجی با روش‌های مستقل برای نتیجه‌گیری قابل اعتماد اهمیت دارد.
آینده: MSI در کنار Spatial Omics
جهت مهم توسعه این حوزه، ادغام MSI با میکروسکوپی، پاتولوژی دیجیتال، ترنسکریپتومیکس فضایی و تحلیل‌های محاسباتی است. چنین رویکردهایی می‌توانند در یک مختصات بافتی، اطلاعات مورفولوژیک و مولکولی را کنار هم قرار دهند و تصویر دقیق‌تری از توزیع دارو، ریزمحیط بیماری و پاسخ درمانی ایجاد کنند.
جمع‌بندی
Mass Spectrometry Imaging پلی میان طیف‌سنجی جرمی و تصویربرداری بافتی است. قدرت اصلی آن در حفظ موقعیت مکانی مولکول‌ها و مشاهده بدون برچسب توزیع داروها و بسیاری از ترکیبات زیستی است. برای توسعه دارو، این فناوری می‌تواند نشان دهد دارو واقعاً به کدام ناحیه بافت رسیده است؛ اما برای ادعای اتصال مستقیم دارو به پروتئین هدف باید از روش و شواهد اختصاصی target engagement نیز استفاده کرد.
منابع علمی
- Drug compound characterization by mass spectrometry imaging in cancer tissue
- Advanced MALDI mass spectrometry imaging in pharmaceutical research and drug development
- A Critical and Concise Review of Mass Spectrometry Applied to Imaging in Drug Discovery
- Imaging and spatially resolved quantification of drug distribution in tissues by mass spectrometry
- Insights From Spatiality: Accelerating Pharmaceutical Research Using Mass Spectrometry Imaging