基于质谱成像代谢组学的体内微区药物效应分析新方法研究

Drug effect and toxicity are closely related to their mechanism of action. Currently, in situ detection of drug effect in the biological tissues, especially characterization of the differences between micro-regions is still challenging. This project aims to develop a method of analyzing in-vivo drug effect on the different micro-regions of the main organs and tumor tissues using an in situ metabolomics based on air flow-assisted ionization mass spectrometry imaging (AFAI-MSI), and the control drug paclitaxel (Taxol-I) and its derivatives (Taxol-R, synthetized by the substituting an tumors related endogenous metabolite) with comparable efficacy and low toxicity used as probes. An algorithm of matching the optical feature maps and ion images will also be constructed to accurately extract massive metabolic characteristics of drug effect in micro-regions. With the combination of multivariate statistical analysis and bioinformatics, our study will gain more insights into the molecular level of the pharmacodynamic differences. Based on the analyzing metabolic pathway of effector molecules, the upstream metabolism related enzymes and mRNA and their distributuion will be further characterized and verified by tranditional molecular biology techniques. Therefore a "bottom-up" stratigy for drug effect analysis can be realized from the metabonomics to the proteomics and transcriptomics, which will offer the basis to the target discovery, efficacy and toxicity prediction of candidate drugs.

药物效应与其作用机制、药效毒性密切相关，生物组织中药物效应分子的原位检测，尤其是对不同微区间的差异性表征存在挑战。本项目采用空气动力辅助离子化质谱成像原位代谢组学分析技术，以对照药紫杉醇及其药效相当但毒性低的衍生物（经与肿瘤密切相关的内源性代谢物取代获得）为探针，旨在建立针对主要脏器及肿瘤组织不同微区中的药物效应分子的原位检测方法；建立光学特征图与质谱成像图匹配算法，进行微区药物效应相关的代谢特征信息精准提取，结合多变量统计分析与生物信息学，发现药物效应特异性小分子及其在组织不同微区间的差异性；进一步对效应分子进行代谢通路分析，采用分子生物学技术，将其上游代谢相关的酶及mRNA进行原位表征，并将各自的分布特征进行匹配关联与相互验证，从代谢组→靶向蛋白质组→靶向转录组层次实现“自下而上”的药物效应分析，为候选新药的靶标发现、药效、毒性早期预测与评价研究提供线索和新思路。

本项目针对组织微区中药物效应的检测难题，采用自主研发的空气动力辅助解吸电喷雾离子化质谱成像（AFADESI-MSI）技术，深入开展肿瘤组织原位的药物分布与空间分辨代谢组学技术及方法研究，从数据高效采集、代谢物分析覆盖深度、药物效应分子信息挖掘及可视化等方面进一步发展和创新，建立有效的组织微区药物效应分析技术与方法；合成多个内源性代谢物修饰取代的紫杉醇衍生物，筛选出一个高效低毒的候选抗肿瘤药物PTX-R；并以其为探针，以紫杉醇为阳性对照，开展基于AFADESI-MSI空间分辨代谢组学技术的组织微区中的药物效应研究；实现了药物、药物代谢产物及药物效应分子在靶器官组织中的检测与成像分析，且能够区分组织中不同微区的药物摄取、释放和作用的差异。本项目建立的方法为创新药物的作用机制研究、靶标发现提供线索、依据和新的研究思路及工具。本研究进一步发现和验证了PTX-R通过羧酸酯酶激活释放活性药物PTX，PTX-R在肝脏、肿瘤以及肿瘤坏死组织中代谢释放PTX的速率为：肿瘤坏死区域 > 肿瘤 > 肝脏。基于体外跨膜机制研究，验证了肿瘤细胞通过肿瘤特异性高表达的胆碱转运体的介导主动摄取PTX-R。因而，该研究通过胆碱偶联引起细胞对化疗药物摄取途径的改变，对提高紫杉醇PTX耐药肿瘤的治疗效果有重要意义。同时，羧酸酯酶和胆碱转运蛋白有望可以作为未来此药物精准治疗的患者分层指标。因此，本项目为精准药物研发和临床精准用药提供了新的研究策略和可行性。本项目发表论文14篇，包括PNAS，Theranostics,Anal.Chem.等；申请专利1项；培养博士研究生1名，硕士研究生3名；项目负责人应邀做大会邀请报告或分组报告15次,组织学术会议2次。