基于13C标记酵母提取物的空间定量代谢组学技术揭示脑卒中后同侧皮层的远程代谢重编程

时间：2025年8月6日

来源：Nature Metabolism

编辑推荐：

本研究针对质谱成像(MALDI-MSI)技术定量分析的局限性，开发了基于13C标记酵母提取物的空间定量代谢组学新方法。通过建立像素级内标校正体系，研究人员在脑卒中模型中首次发现远离梗死区的同侧感觉运动皮层存在阶段性代谢重塑：急性期(7天)呈现神经保护性赖氨酸升高和兴奋性谷氨酸降低，慢性期(28天)则表现为尿苷二磷酸N-乙酰葡糖胺(UDP-GlcNAc)和亚油酸前体池持续减少。该技术为揭示组织微环境代谢异质性提供了可靠工具，相关成果发表于《Nature Metabolism》。

脑卒中后神经组织的代谢变化一直是神经科学领域的研究难点。传统组织学方法难以捕捉细微的代谢改变，而常规质谱成像技术受基质效应、批次差异等问题困扰，无法实现精准定量。特别是在远离梗死灶的"看似正常"区域，是否存在代谢重塑尚不明确。荷兰莱顿大学医学中心(Leiden University Medical Center)Gangqi Wang团队创新性地将¹³C标记酵母提取物作为内标，建立了空间定量代谢组学新方法，相关研究成果发表在《Nature Metabolism》上。

研究采用三项关键技术：1)基于均匀喷洒¹³C标记酵母提取物的像素级内标校正体系；2)整合基质辅助激光解吸电离质谱成像(MALDI-MSI)与核磁共振(NMR)的绝对定量流程；3)光血栓性脑卒中小鼠模型(12-13周龄C57BL6/J雄性)的动态代谢分析。

主要研究结果

¹³C酵母辅助MSI实现相对定量空间代谢组学

通过比较肾脏和脑组织数据，证实该方法可定量200余种代谢物特征。与传统RMS(均方根)或TIC(总离子计数)标准化方法相比，内标校正显著提高了数据可靠性。如图1所示，腺苷一磷酸(AMP)和棕榈酸在不同标准化方法下呈现完全不同的空间分布模式。

定量空间代谢组学揭示脑卒中后代谢重塑

在脑卒中后第7天，梗死区周围出现特征性双(单酰基甘油)磷酸酯(BMP)或磷脂酰甘油(PG)44:12的富集，提示溶酶体激活。至第28天，磷脂酰丝氨酸(PS)38:4在梗死周边区持续升高，反映血管异常持续存在。氧化应激标志物氧化型谷胱甘肽(GSSG)/还原型谷胱甘肽(GSH)比值在梗死核心区最高，呈现由中心向外周递减的梯度分布。

脑卒中后同侧皮层的远程代谢改变

最引人注目的发现是在组织学正常的同侧感觉运动皮层(聚类16区)检测到阶段性代谢重编程：

急性期(7天)：神经保护性赖氨酸水平升高2.1倍(P<0.01)，兴奋性神经递质谷氨酸降低63%(P<0.05)
慢性期(28天)：O-连接N-乙酰葡糖胺化(O-GlcNAcylation)关键底物UDP-GlcNAc减少47%，神经营养因子溶血磷脂酰乙醇胺(LPE)O-16:1和O-18:1持续升高

¹³C酵母辅助MSI实现绝对定量

通过建立代谢物标准曲线，成功实现脑组织代谢物的空间绝对定量。例如小脑颗粒层天冬氨酸浓度为8 nmol/mm³，与已知的 climbing fibers 神经递质特征相符。MSI定量结果与NMR组织匀浆数据高度相关(R²=0.91)。

这项研究建立了空间代谢组学研究的金标准：1)首次证实脑卒中后存在跨脑区的代谢网络重塑；2)发现赖氨酸-UDP-GlcNAc代谢轴可能成为神经保护新靶点；3)为研究其他器官病变的远程代谢效应提供了方法学范式。技术层面，¹³C标记酵母提取物的应用解决了长期困扰MSI研究的基质效应难题，使得不同实验室间的数据比对成为可能。该成果不仅为理解脑卒中的病理机制提供了新视角，更为肿瘤、糖尿病等疾病的代谢微环境研究开辟了新途径。