干货分享 | 质谱成像在药物DMPK研究中的应用前景

成像技术在药物研究中的使用由来已久，较为经典的方式是放射性同位素示踪法，该方法在研究候选药物的吸收、分布、代谢和排泄特征中发挥着重要作用。但是开展放射性同位素示踪研究工作需要对目标化合物进行同位素标记，实验室符合安全防护条件，需要较高的成本和丰富的操作经验。质谱成像作为近年来受到广泛关注的无标记成像技术，可更早进入药物早期研发流程，无需针对成像实验设计特殊实验过程，即可与药物早期药理、毒理、药代研究相结合，提高药物早期研发效率。

成像质谱在药物早期研发中的应用方向

基于3D细胞模型药物体外研究

质谱成像技术可以用于研究基于3D细胞模型的药物渗透、分布、药物诱导的细胞响应。

图1. 质谱成像技术分析伊替立康(m/z 587)给药后HCT116细胞球中随时间的变化药物递送过程1。

靶器官分布研究

质谱成像技术对于解释目标药物分子在特殊靶器官中的药物分布研究提供了便利手段。

图2. 鼻腔给药后R-沙丁胺醇通过嗅觉系统入脑的路径2。

临床前安全性研究

适用于药物分子及代谢物在靶器官的空间异质性分布引起的毒理效应，药物分子及代谢物的脱靶效应。

图3. 质谱成像技术显示药物在肾脏局部区域蓄积，造成局部损伤，从而解释了该候选药物的肾毒性机理3。

临床前药理研究

结合基于质谱成像技术的空间代谢组学和蛋白组学的研究，探讨药物分子与内源性化合物变化的关系，解释药物分子参与的生理调控过程。

图4. 给药后肿瘤组织中内源性脂类代谢物的变化。

药物制剂相关研究

质谱成像可用于研究候选药物分子剂型对药物分子及载体在靶器官分布的影响。

图5. 药物通过雾化吸入后在靶器官的分布行为研究4。

图6. 透皮制剂给药后药物在表皮层、真皮层及皮下组织的分布过程5。

空间上的药物PK/PD研究

定量质谱成像技术的发展使得基于空间药物PK/PD的研究成为可能，获得定量数据可以与LC-MS/MS数据形成互补，更完善地阐述药物在生物体内的代谢行为。

图7. 代谢物A和母物B蓄积在胆管，分布特征相同6。

图8. 代谢物A直接给药后分布特征6。

图9. 肝脏组织上校准曲线的建立6。

表1. 定量质谱成像量化的肝脏局部区域药物浓度6。

成像质谱技术的发展方向

成像离子化技术

解析电喷雾电离(Desorption Electrospray Ionization, DESI)和基质辅助激光解析电离(Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI)是较为常用的两类质谱成像离子化技术。利用质谱成像技术研究药物分布特征时，均需要制备动物组织薄切片，MALDI成像需要选择合适的基质进行喷涂后才可上机分析，而DESI则无需该过程且DESI对切片损伤微小，同一切片可重复利用；相较于MALDI离子源，DESI成像更适合小分子药物成像并且可以获得更好的灵敏度；在成像空间分辨率上，MALDI略优于DESI，但随着DESI技术的进步，目前二者可以达到相当的水平。

图10. DESI成像原理示意图及DESI技术发展概况。

图11. MALDI成像原理示意图。

图12. DESI&MALDI全谱分子成像分析小鼠脑中脂类物质（二者离子强度互补）。

成像分析技术选择

目前质谱成像分析成像检测器依然以高分辨质谱为主，满足非目标成分成像分析的高通量、高扫描速度、原位定性的需求，结合离子淌度功能的使用能够进一步去除基质干扰，提高成像的准确度。

近年来定量质谱成像也受到了广泛关注，以目标化合物成像为重点，希望实现复杂生物切片上痕量物质的定量检测，关注成像方法的灵敏度和重现性。

图13. 沃特世基于高分辨质谱平台的非目标化合物成像方案。

图14. Waters基于DESI XS & Xevo TQ-XS靶向成像方案。

总结

质谱成像技术在药物研究领域有广泛的应用前景，根据研究项目的需要，选择合适的质谱成像方案可以与传统方法有效互补，提高药物研发效率。

参考文献

1. Liu X., Weaver, E.M., Hummon, A.B., Anal. Chem., 2013, 85, 6295-6302.

2. Stephen Castellino,Nichole M. Lareau,Mark Reid Groseclose, Journal of Mass Spectrometry, 2020, 12, 35.

3. Celia Henry Arnaud, C&EN, 2017, June5, 30-34.

4. Eiichi Yamamoto, Yuhji Taquahashi, Makiko Kuwagata et. al, International Journal of Pharmaceutics, 2021, 595, 120241.

5. Julie Quartier, Wei Rao, Suan Slade et. al, International Journal of Pharmaceutics , 2021, 607, 120967.

6. Lieke Lamont, Darya Hadavi, Brent Viehmann et. al, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2021, 413, 2779-2791.