代谢组组学（Metabonomics/Metabolomics）指的是在特定条件下（对照/处理、健康/疾病、不同基因型等）对组织、细胞中的低分子量化合物进行定性和定量检测，已知不同条件下对代谢动态应答进行定量测定，是继转录组学、蛋白质组学后新型的组学技术。

随着研究的深入，人们越来越认识到，即使是同一类型的细胞，每个细胞的代谢特征都是不同的。这种复杂性再加上组织中不同细胞类型的多样性，推动了高分辨率尺度乃至单细胞尺度上组学的发展，其中基因组学和转录组学发展迅速，但代谢组学相对滞后，主要原因是其扩增和标记策略不适合动态生成的代谢物分子。

众所周知，细胞内代谢物的合成和累积往往具有精准的空间分布特性，且其生理功能常与其在组织甚至细胞中的空间分布紧密相关。空间代谢组学（Spatial Metabolomics）是一种新型的分子影像技术，其基于质谱成像（Mass Spectrometry Imaging，MSI），能够直接从生物组织中获得大量已知或未知的内源性代谢物和外源性药物等分子的结构、含量和空间分布信息，实现空间水平高分辨率且能精准定位组织中的代谢物分布，对阐明代谢物的合成、积累和调控机理至关重要。

高分辨率组学

质谱成像（MassSpectrometry Imaging，MSI）技术

质谱成像以质谱技术为基础，通过质谱逐点扫描生物组织切片样品，与专业图像处理软件结合，直接分析获得大量靶向或者非靶的内源性代谢物和外源性药物分子的组成、相对丰度及空间分布情况等信息。

MSI的特点包括：

1、不需要对代谢物进行提取；

2、不需要对样品进行同位素标记或染色等前处理；

3、可实现样品中多种物质的平行高通量成像分析；

4、可获得待测样本中代谢物的精准时空分布并进行可视化；

5、可做靶向和非靶向代谢物分析。

MSI原理

依照离子源不同，通常可将MSI分为以下几类：基质辅助激光解吸电离（MALDI，matrix assisted laser desorption ionization）质谱分子成像技术、电喷雾电离技术（Desorption electrospray ionization，DESI）的质谱成像技术；二次离子质谱（SIMS，secondary ion mass spectrometry）成像技术、激光溅射-电喷雾电离质谱成像（Laser ablation electrospray ionization，LA-ESI）成像技术等。

MSI种类

空间代谢组的应用

（1）构建空间代谢图谱

Wang (2021)等利用基于空气流动辅助解吸附电喷雾电离质谱成像(AFADESI-MSI)的空间代谢组学方法分析大鼠给药马铃酸I(一种已知的肾毒性药物)后肾脏的空间分辨代谢谱变化，发现与精氨酸肌酐代谢途径、尿素循环、丝氨酸合成途径、脂质代谢、胆碱、组胺、赖氨酸和三磷酸腺苷相关的38种代谢物发生了显著变化。

（2）药物研究

包括新药研发、药物靶向性、药效毒理研究、药代动力学研究等。例如Zhao (2020)等利用荧光成像方法、质谱成像方法精确地追踪药物在小鼠体外、体外的释放情况。

（3）肿瘤代谢

对肿瘤相关代谢重编程的新见解为癌症治疗提供了新的方向。为此Sun (2020) 等基于空间代谢组策略，对异种移植小鼠和人类肿瘤组织中的肉碱空间变化进行研究，并在邻近的肿瘤组织切片中检测了与肉碱改变密切相关的关键代谢酶的空间表达，可视化乳腺癌中肉碱代谢的空间解析重编程。其研究涵盖了17种肉碱（L-肉碱、6个短链酰基肉碱、3个中链酰基肉碱和7个长链酰基肉碱），其中L-肉碱和短链酰基肉碱在乳腺癌中显著发生重编程。基于170个肿瘤样本和128个正常样本建立的肉碱分类模型能够准确识别乳腺癌。广泛参与肉碱介导的脂肪酸β-氧化途径的CPT 1A、CPT 2和CRAT也在乳腺癌中异常表达。

（4）分子病理

双酚F (BPF)是双酚(BPA)的主要替代品，在日常生活中应用广泛。已知BPA暴露会产生各种毒性效应，但BPF的毒性未得到充分研究。综合脂质组学、代谢组学和MALDI-MSI研究BPF对乳腺癌移植瘤转移相关组织(肝、肾)的毒性作用及其机制，发现BPF暴露扰乱了肝脏和肾脏的代谢组和脂质组。通过激活肝和肾组织中的甘氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、谷氨酰胺、乳酸和丙酮酸，暴露诱导了谷胱甘肽(GSH)生物合成和糖酵解代谢的重编程。还扰乱了甘油磷脂(GPs)和甘油脂(GLs)的生物合成和降解，导致肾组织膜稳态和细胞功能异常。此外，BPF处理后肾皮质和髓质区域代谢物的空间分布和轮廓也发生了变化。肾髓质和肾盂中磷脂酰乙醇胺(PE)和三酰甘油(TAG)水平升高，而磷脂酰胆碱(PC)和磷脂酰肌醇(PI)水平在皮质肾盂中升高。

（5）植物研究

长春花是一种以生产长春碱、长春新碱（属于萜类吲哚生物碱(TIAs)类）等活性化合物而闻名的药用植物，虽然这种植物的叶子是这些抗肿瘤药物的主要来源，但关于TIAs是如何从中心前体异胡豆苷合成为各种TIAs的机制还不清楚。Kotaro Yamamotoet (2019) 等首次利用10 um空间分辨率成像质谱(Imaging MS)和单细胞质谱(live single-cell mass spectrometry, lms)技术，成功地显示了红侧莲叶片组织中细胞特异性TIAs的定位和积累。这些代谢组学研究显示，大多数TIA前体(环烯醚萜)定位于表皮细胞，但包括蛇根碱和长春碱在内的主要TIA前体定位于异细胞。有趣的是，TIA的关键前体异胡豆苷也在表皮细胞和异细胞中积累。此外还发现，随着叶片的扩张，乳汁管细胞中常春碱的积累增加。