使用 MALDI-MSI 与组织学共定位研究发现神经节苷脂与阿尔茨海默症中β淀粉样斑块共定位

阿尔茨海默症（Alzheimer’s Disease, AD）是一种进行性神经退行性疾病，其特征是认知功能受损和行为改变。历史上，对AD的研究主要集中在错误折叠的蛋白质上，但随着质谱技术的进步，AD脂质组学的研究逐渐引起了越来越多的关注，脂质异常调节被认为在AD发病机制中起着关键作用。神经节苷脂（gangliosides）是一类富集于中枢神经系统的糖脂类物质，之前的研究表明，复杂的GM1向简单的GM2和GM3转变可能与神经退行性疾病的发展有关。复杂神经节苷脂（特别是具有20碳脂基链的神经节苷脂）在衰老大脑中显著增加。

在这项研究中，研究团队利用基质辅助激光解吸电离质谱成像（MALDI-MSI）技术研究了人类AD去世者大脑中18或20碳脂基链（d18:1或d20:1）的a系列神经节苷脂的原位关系。研究结果显示，AD大脑中齿状回（dentate gyrus）和内嗅皮层（entorhinal cortex）区域中GM1 d20:1与GM1 d18:1的比例显著下降，同时发现GM3与组织学上确认的β淀粉样斑块共定位，且β淀粉样斑块附近的GM1和GM3显著增加。这表明AD中神经节苷脂的特征可能发生扰动，并验证了在同一组织切片中结合MALDI-MSI与经典组织学染色的方法的可行性，推动了基于质谱成像的数字病理学框架的整合。

学术背景

阿尔茨海默症（AD）是一种破坏性的神经退行性疾病，其临床特征是逐渐的记忆丧失、认知功能下降和行为改变。全球每年约新增990万例AD病例。其神经病理学特征包括β淀粉样蛋白（Aβ）斑块的沉积以及过度磷酸化的tau蛋白（神经原纤维缠结，NFTs）聚集伴随的突触退化和细胞死亡。对于大多数AD患者，其退行性过程遵循一定的模式，这是疾病神经病理分期的基础。

随著新的质谱成像技术的应用，对AD中脂肪代谢异常的研究逐渐展开。研究发现，与AD病理特征共存的脂质转运、代谢和平衡的改变可能是推动AD进展的重要因素。基于此背景，研究团队希望通过MALDI-MSI技术进一步探索神经节苷脂在AD中的空间定位及其与已知蛋白标志物的关系，以更好地理解脂质组和蛋白质组在AD发病机制中的复杂相互作用。

研究来源

这篇题为“Co-registration of MALDI-MSI and Histology Demonstrates Gangliosides Co-localize with Amyloid Beta Plaques in Alzheimer’s Disease”的原始研究论文由Nikita Ollen-Bittle、Shervin Pejhan、Stephen H. Pasternak、C. Dirk Keene、Qi Zhang和Shawn N. Whitehead等人撰写，作者分别来自Western University、London Health Sciences Centre和University of Washington等机构。论文于2024年发表于《Acta Neuropathologica》。

研究流程

本研究主要包括几个关键步骤：

样本收集与处理

1. 组织样本选择与伦理审批： 研究样本主要来源于去世AD患者和健康对照的正式固定和新鲜冷冻组织，分别获得伦敦健康科学中心和华盛顿大学储存库及神经病理学实验室的批准。

2. 组织块切割与制备： 正式固定的样本块被固定在冷冻框架上，用于在冷冻和新鲜切片阶段的组织切片制作和MALDI-MSI扫描。

MALDI-MSI数据采集

1. 基质应用与扫描： 使用1,5-二氨基萘基基质进行稀释，随后在热板上进行升华，确保基质在组织上均匀沉积。再使用SCiEX 5800 TOF/TOF系统进行质谱成像扫描。

2. 低分辨率扫描： 初步低分辨率扫描以观察整个组织块中的神经节苷脂分布，发现AD大脑中hippocampus区域的GM1 d20:1到GM1 d18:1比例显著下降。在特定区域，如齿状回和内嗅皮层中的GM1 d20:1显著减少。

高分辨率扫描与组织学染色

1. 高分辨率扫描与组织学染色结合： 通过高分辨率扫描获得特定区域详细的神经节苷脂分布图，随后使用Thioflavin S进行β淀粉样斑块染色。

2. 数据分析与统计： 使用质谱成像软件对选定区域（ROI）的质谱数据进行分析，计算相关神经节苷脂峰的面积占比，进行统计比较。

主要研究结果

1. 低分辨率MALDI-MSI扫描结果： 在分析AD大脑中hippocampus区域时发现，GM1 d20:1到GM1 d18:1比例在齿状回的分子层和CA区域显著下降。在内嗅皮层和齿状回的分子层中也观察到GM1 d20:1显著减少。

2. 高分辨率MALDI-MSI扫描结果： 在对具有显著斑块负荷的AD大脑进行高分辨率扫描后，发现GM3 d20:1和GM3 d18:1与Thioflavin S染色的β淀粉样斑块共定位，且在淀粉样斑块区域的GM3 d18:1、GM3 d20:1、GM1 d18:1和GM1 d20:1均显著增加。

结论与研究意义

1. 研究验证性： 本研究成功验证了将MALDI-MSI与经典组织学染色相结合的方法，为质谱成像融合数字病理学奠定了基础。

2. 新的病理学见解： 研究结果揭示AD大脑β淀粉样斑块中神经节苷脂的空间关系，提供了理解AD脂质组学的新视角。

3. 技术创新与应用前景： 通过结合高分辨率质谱成像与组织学染色，有助于推动分子层面变化在组织病理学中的应用，可能为标志物和治疗靶点的发现提供重要帮助。

研究亮点

1. 技术创新： 本研究开发并验证了结合MALDI-MSI与组织学染色的新工作流程，提升了质谱成像在病理学中的实用性。
2. 新见解提供： 研究揭示了AD中神经节苷脂与β淀粉样斑块的显著空间共定位关系，为理解AD脂质组变化提供了新的思路。

本研究通过创新的实验技术和详细的数据分析，揭示了AD大脑中神经节苷脂与β淀粉样斑块的显著共定位关系，提出了新的病理学见解和研究方向，并展示了整合质谱成像与数字病理学的巨大潜力。