质谱成像技术驱动的空间分辨代谢组学目前被广泛用于探索机体对各种内源和外源刺激的时空响应,3D肝细胞球模型具有三维结构,在基因转录、酶表达、代谢活性等方面更接近实体肝组织,可以有效模拟药物体内过程。然而,如何实现微小体积肝细胞球中代谢物组的多维度、多指标量化表征,构建药物效应/毒性作用的分子网络是当前需要解决的关键科学问题,对于实现药物效应/毒性的早期预测,提高药物研发成功率具有重要意义。本研究采用自主研发的空气动力辅助离子化质谱成像技术（AFADESI-MSI）建立了高灵敏、高覆盖的肝细胞球空间分辨代谢组学新方法,并将该方法应用于药物胺碘酮在3D HepG2肝细胞球中的渗透、代谢和肝毒性效应研究。主要研究内容包括:（1）采用超低吸附法建立了一种稳定性高、重复性好、可长期培养且具有药物代谢功能的3D HepG2细胞球模型,为药物代谢及肝毒性评价提供了良好的体外细胞模型。（2）采用AFADESI-MSI技术建立了肝细胞球空间分辨代谢组学方法,实现了氨基酸、有机胺、胆碱、磷脂等数十类1100多个内源性代谢物的高灵敏、高覆盖质谱成像分析。对该方法的稳定性和重复性进行了考察,并针对细胞球质谱成像数据的特点优化了数据归一化方法,增强了数据分析的可靠性。（3）通过收集胺碘酮暴露不同时间点的细胞球样本进行质谱成像分析,获得了药物在细胞球中的渗透及代谢的时空变化特征,共识别出15个胺碘酮Ⅰ相代谢产物,其中9个代谢产物是首次发现,并推导出了胺碘酮在HepG2肝细胞球中的代谢途径。（4）通过代谢组学分析方法,获得了药物暴露引起细胞球产生渐进性代谢扰动的时空变化规律:随着给药时间延长,大多数代谢物呈现逐渐下调趋势,且细胞球外周区代谢物下调程度更加显著。其中主要涉及的代谢通路包括花生四烯酸代谢、甘油磷脂代谢、苯丙氨酸代谢、谷氨酰胺与谷氨酸代谢等。（5）通过Pearson相关性分析,筛选出42个与胺碘酮毒性密切相关的潜在生物标志物,其中40个代谢物与胺碘酮毒性呈现显著正相关。进一步通过多元线性回归构建了由8个脂肪酸组成的生物标志物组模型,其与胺碘酮毒性呈现更好的相关性,为体外评价胺碘酮的肝毒性提供了新型特异性潜在生物标志物。以上结果表明,本研究建立的三维肝细胞球空间分辨药物代谢组学方法可以同时实现药物、药物代谢产物及内源性代谢物的定性、定位及其时空变化规律的精准表征。结合代谢组学方法,可以在体外获得更加接近体内的药物渗透、代谢及药物肝毒性相关的特异性内源性代谢改变信息,为揭示药物的潜在毒性作用机制,评价药物的肝毒性效应提供了一种新方法和新策略。