空间代谢组质谱成像技术：快速评估口腔肿瘤手术效果及代谢可视化
01研究背景
外科手术是口腔癌患者的治疗方法。对切除标本进行组织学处理后，再由病理学家对肿瘤细胞与切除边缘之间的距离进行细致的显微评估后，才能评估手术是否彻底，这可能需要几天到几周的时间才能得出报告。尽管可以通过冰冻切片或其他方法评估切除边缘，但要在保留口腔癌患者功能的情况下达到根治性的肿瘤切除，术中的决策仍然具有挑战性。电外科蒸汽快速蒸发电离质谱（REIMS）可对正常的肿瘤组织进行实时分类。然而，口腔鳞状细胞癌（OSCC）的浸润性侵袭模式对REIMS检测低量肿瘤细胞的能力构成了挑战。作者首次评估了REIMS的敏感性来确定在口腔癌手术中检测到的肿瘤细胞的最小数量。
02前言
研究共包括11名OSCC患者，基于5名患者的185个REIMS体外代谢图谱的组织分类与组织病理学分类使用多变量分析和离开一个病人的交叉验证进行比较。基于电喷雾电离－质谱成像（DESI-MSI）的空间代谢组技术被用于检测六个口腔切片的组织异质性，来评估REIMS的结果。用一种基于细胞的检测新方法评估了REIMS的敏感性，该方法由细胞系的混合物（肿瘤、肌细胞、角质细胞）组成。作者描述了REIMS对肿瘤和软组织的分类的成果，准确率为96.8%。REIMS检测到，10%的肿瘤细胞与90%的肌细胞混合，灵敏度为83%，特异性为82%。总之，用DESI-MSI评估组织的异质性和用细胞混合物评估REIMS的敏感性，这两种方法为口腔癌手术期间体内组织的识别提供了特征代谢谱。
04研究方法
研究材料：
（1）组织样本： 11名计划进行OSCC的手术切除的患者
（2）体内和体外的REIMS组织分析
（3）DESI-MSI组织切片分析：负电离模式，质量范围：m/z 100-1500，像素大小：30 × 30 微米，病理学家选择的组织学区域内，将六个相邻的像素点结合起来，生成空间代谢图谱，以研究组织的异质性。
（4）细胞颗粒的制备和REIMS细胞颗粒分析：角质细胞代表黏膜，肌细胞代表肌肉，OSCC细胞系代表肿瘤。每一类三个生物重复。
研究技术：
(1) 电外科蒸汽快速蒸发电离质谱REIMS
(2) 电喷雾电离－质谱成像DESI-MSI（空间代谢组技术）
05研究结果
1. 体外REIMS分析建立组织分类器
作者利用电外科蒸汽的体外REIMS分析，在5名患者提供的口腔组织上建立了185个组织特异性代谢图谱库，并达到了96.8%的交叉验证准确率（图1A）。在用针状电极进行REIMS分析时，组织采样导致了组织缺失的产生。这些组织缺失在供病理学家检查的组织切片上表现为不同直径的圆孔（约1—1.5毫米）。在PCA评分图中，肿瘤和软组织的轮廓沿着PC1轴明显分开（图1B）。软组织（如肌肉、脂肪）和肿瘤的代表性代谢轮廓显示出独特的轮廓（图1C,D），并与体内的代谢轮廓相似（图1E）。
图1 舌头组织的电外科蒸汽的REIMS分析
2. DESI-MSI分析评估口腔组织的代谢 "热点"
作者使用DESI-MSI来研究组织学特征，这些特征可能从针式电取样方法中遗漏，可能会影响代谢轮廓的差异。分类结果（图2A,B）、PCA（图2C）显示，神经代谢谱与肌肉和肿瘤代谢谱明显不同。
图2 通过DESI-MSI检测口腔组织中不同的神经代谢情况
3. 通过DESI-MSI分析口腔组织中的肿瘤代谢标志物
作者利用DESI-MSI寻找反映OSCC代谢异质性的标志物。OSCC可以呈现不同程度地分化和角质化。探讨了与鳞状上皮成熟有关的代谢变化（在增生的正常口腔粘膜背面），与OSCC鳞状分化和角质化有关的代谢变化（在逐渐分化的OSCC中）。作者筛选了可判别基底/棘层（即正常黏膜的基底/尖层）变化的质量特征。最明显的黏膜内代谢转变是从定位于基底侧的醚－磷脂酰到主要定位于顶端的胆固醇硫酸盐（图3A,B）。这种代谢转变在显示中央角质化特征的OSCC（图3C,D）中也被观察到。这些代谢物在基底层OSCC的非角化和角化部分的异质性分布（图3E）。只有m/z 698.5分布在刺状OSCC的中央部分（图3F）。胆固醇硫酸盐在肿瘤中央疤痕和角质化部分很强烈，但醚－磷脂酰在浸润增生的肿瘤边界很强烈（图3E，F）。
图3 DESI-MSI获得OSCC分化的常见代谢标志物
4. 测量细胞颗粒中的代谢概况评估REIMS的灵敏度
OSCC切除边缘可能存在的肿瘤卫星对REIMS技术的敏感性提出了挑战。为了评估这种敏感性，作者用细胞系混合物来表示口腔组织环境：角质细胞代表黏膜，肌细胞代表肌肉，OSCC细胞系代表肿瘤。这些代谢图谱被正确识别，达到了95%的交叉验证准确率（图4A）。总共336个REIMS代谢轮廓被用来建立一个有两个类别的模型：肿瘤和肌肉，模型的正确率为79.8%。作者用这个分类结果建立了ROC曲线，以更详细地评估灵敏度（图5）。当混合肌细胞时，REIMS方法能够以10%的比例检测肿瘤细胞，真实阳性率为83%。
图4 通过测量细胞颗粒产生的电外科蒸汽，评估REIMS的灵敏度
图5 REIMS敏感性的ROC曲线
06研究结论在体外收集的REIMS代谢图谱可以高度准确地预测手术切除期间的口腔癌组织病理学结果。作者使用一种基于评估细胞混合物的新方法确定了REIMS技术的敏感性。DESI-MSI可视化了与肿瘤异质性相关的代谢和肿瘤特异性标志物。在检测切除边缘的OSCC细胞时，未来与术中诊断有关的研究将受益于这些创新的定量策略，以评估基于实时质谱的代谢分析技术的敏感性。结合REIMS和DESI-MSI数据可以评估组织异质性、识别和靶向特定代谢肿瘤标志物的前提条件，可以改善手术中的肿瘤检测情况。
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空间代谢组质谱成像技术可以对肿瘤临床手术效果进行快速评估，可将肿瘤异质性相关代谢物和肿瘤特异性标志物可视化。作者创新性地用两种方法评估了REIMS的敏感性，这种新方法对其他的癌种的手术切除技术提供了新的评估思路。
参考文献
PMID: 35503862 DOI: 10.1021/acs.analchem.1c03583
文末看点｜lumingbio
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