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過去三十年，質譜成像技術作為一種將質譜特異性與空間信息相結合的研究策略，已獲得多領域研究專家和學者廣泛認可。除了在病理學、毒理學、植物研究和微生物學等眾多領域的應用外，還被廣泛用于研究藥物有效成分、治療靶點及闡明作用機制等。賽默飛推出的MALDI-Orbitrap基質輔助激光解吸電離質譜成像方案在生物醫藥研究領域深耕多年，逐漸成為新藥研發和藥物評價過程中不可或缺的研究工具。

2025年1月18日，拜羅伊特大學Andreas Römpp團隊在Nature Communications發表了題目為“The clinical-stage drug BTZ-043 accumulates in murine tuberculosis lesions and efficiently acts against Mycobacterium tuberculosis”的文章，報道了新型抗生素BTZ-043在高級小鼠模型IL-13（白細胞介素-13）過表達小鼠（IL-13tg）中的顯著局部療效。高分辨率AP SMALDI-Orbitrap 成像進一步顯示了BTZ-043在細胞區室中擴散和積聚，并完全穿透壞死中心。該研究首次可視化呈現了臨床階段結核病藥物在類人中心壞死性肉芽腫中的有效滲透、積累，并有效對抗結核分枝桿菌。

研究背景

結核病是由結核分枝桿菌（Mtb）引起的常見傳染病，每年影響全球約1000萬人，2022年造成130萬人死亡。中心壞死性肉芽腫是人類結核病的組織病理學標志，它由富含脂質、非血管化的壞死核心組成，毗鄰泡沫狀巨噬細胞邊緣，并被纖維囊和一層上皮樣巨噬細胞包圍。在這些壞死病變中，細胞外 Mtb 可以處于代謝休眠階段，受到免疫系統的良好保護。此外，由于其復雜的結構，抗生素擴散到這些病變中可能會受到阻礙。然而，藥物穿透壞死性肉芽腫的能力顯著影響治療效果。因此，抗分枝桿菌候選藥物的高效臨床前篩選和測試對于新型療法的快速開發至關重要。

MALDI質譜成像非常適合研究組織樣本中化合物的定位，并且能夠同時分析組織切片中內源性和外源性化合物的分布。然而，組織中藥物化合物的可靠鑒定需要高質量分辨率和高質量精度，同時高空間分辨能力能夠確保組織生物學結構的精準劃分。因此，本研究采用兼具高空間分辨率、高質量分辨率、高質量精度和高靈敏度等眾多優勢的AP SMALDI-Orbitrap系統以10μm空間分辨率對來自IL-13tg小鼠模型的中心壞死性肉芽腫中的BTZ-043進行分析，確定其在病灶中的動態分布情況。

抗結核藥物BTZ-043在泡沫巨噬細胞邊緣的早期積聚

為了明確病變病理學與藥物分布的相關性，作者對從結核分枝桿菌Mtb感染的IL-13 tg小鼠中（給藥后2小時處死）獲得的肺組織相鄰冷凍切片分別進行H&E染色和高分辨率AP SMALDI-Orbitrap成像。H&E染色顯示兩個高度分層的肉芽腫，中心為嗜酸性粒細胞壞死（圖 1a）。兩個肉芽腫都被一個突出的纖維包膜包圍（圖 1b），在纖維包膜旁邊檢測到泡沫狀巨噬細胞邊緣，其伊紅染色強度較低，但 CD68 陽性（圖 1c），并富含脂滴（圖 1d），因此與在人肉芽腫中觀察到的泡沫狀巨噬細胞非常相似。

MALDI成像顯示，在整個組織切片中檢測到BTZ-043，其中肉芽腫區域豐度更高（圖1e）。與H&E染色結果進行關聯分析，發現該藥物主要分布于肉芽腫的纖維囊內，與主要由泡沫巨噬細胞組成的細胞區室重合。作者進一步繪制了該藥物在肉芽腫區域的滲透曲線，其中肉芽腫邊緣（圖1e中藍色和紫色的線）位于纖維囊和泡沫狀巨噬細胞區域之間。從藥物滲透曲線中可以看出，在兩個肉芽腫中，該藥物強度在邊緣（即巨噬細胞層）急劇增加，隨后向肉芽腫的中心下降。

圖1 病變病理與BTZ-043滲透相關性 （a H&E染色；b三色染色；c CD68/ZN染色；d 油紅O染色；e BTZ-043的離子圖像，[M+H]+, m/z 432.08355；f 兩個肉芽腫的BTZ-043滲透曲線。）

抗結核藥物BTZ-043在壞死性肉芽腫中的滯留

為了更詳細的研究藥物的時空分布情況，作者通過MALDI成像研究了最后一次給藥后不同時間點（0.5h、2h、4h、8h）的小鼠肺切片。H&E染色結果顯示壞死中心以深紫色可見，其周圍的淺紫色區域代表由泡沫狀巨噬細胞組成的細胞區室（圖2a-d）。

MALDI成像結果顯示，最后一次給藥后0.5h和2h的BTZ-043分布與圖1所示相似，泡沫巨噬細胞層的強度高于周圍組織，壞死中心的強度較低（圖2e-f）；4h后，該藥物均勻分布在肉芽腫中，并完全穿透壞死中心（圖2g）；給藥后8h，在細胞隔室和壞死中心仍檢測到該藥物，而周圍組織中的藥物強度下降，表明BTZ-043在中心壞死性肉芽腫中的滯留時間更長。

圖2 MALDI成像展示IL-13tg小鼠中心壞死性肉芽腫中BTZ-043的時空分布（BTZ-043在0.5 h (a、e）、2 h (b、f）、4 h (c、g）和8 h (d、h）的H&E染色和MALDI成像分布）（點擊查看大圖）

總結

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成功的結核病治療取決于藥物完全穿透含有大多數分枝桿菌的中心壞死性肉芽腫的能力及其在這些病灶內的抗分枝桿菌活性。本研究團隊在確定藥物最佳治療劑量、藥代動力學參數、體外通透系數的基礎上，選用能夠形成類人中心壞死性肉芽腫的先進IL-13tg小鼠模型，結合高分辨MALDI成像準確評估藥物在組織中的分布以及時空變化。

本研究開創性地可視化呈現了臨床階段結核藥物在中心壞死性肉芽腫中的有效滲透和積累，并證明了其病變活性，為 BTZ-043 補充現有抗生素的能力提供了重要指示。因此，BTZ-043未來有助于縮短治療方案，防止結核病復發，并阻止耐藥性的發展。AP SMALDI- Orbitrap空間代謝組學技術有望更深入地應用于藥物研發、臨床前藥物篩選和測試、疾病研究等領域。

AP-SMALDI 5AF -Orbitrap 質譜成像系統

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