质谱成像(IMS)技术是将质谱检测与影像技术相结合,用于生物体内的内源性或外源性分子的原位分析与相对定量可视化检测的新型分子成像技术,已成为质谱的前沿领域和研究热点。本研究基于自主研发的空气动力辅助离子化(AirFlow Assisted Ionization, AFAI)新技术,充分利用AFAI技术无需复杂前处理和对大体积物体直接质谱分析的优势,探索及建立了适用于整体动物体内药物成像分析的免标记、便捷的新型常压敞开式AFAI-IMS新技术及方法。采用AFAI-IMS方法,开展了抗肿瘤候选新药S-(+)-去氧娃儿藤宁碱(CAT)在整体大鼠体内的特征分布及处置研究,在整体动物水平直观呈现了组织器官中药物及其代谢物的分布信息,并通过不同时间节点的成像对比分析获得了药物及其主要代谢物在体内的动态变化分布信息。在此基础上,进一步对CAT在神经胶质瘤模型小鼠体内的处置隋况进行了成像分析；同时将AFAI-IMS获得的成像结果与单器官的质谱成像数据及LC-MS/MS谱分析数据进行比较,证明了AFAI-IMS方法的可靠性及稳定性。通过本项研究发现了CAT候选新药的靶器官及肿瘤靶向性,获得了该药物在动物体内的全面处置信息,并为预测药物的可能瘤谱、毒副作用,提示药物作用机制及药效评价等提供了关键数据。上述研究结果表明,AFAI-IMS新方法通过可视化的图像可以直观地显示药物在动物组织中的全面、特异性分布及处置情况,为新药研发的I临床前研究提供了一种新的途径和技术手段,有望发展成为创新药物研发领域的有力分析工具。本论文的研究内容主要包括以下三个部分：1.空气动力辅助离子化质谱成像分析系统平台的构建空气动力辅助离子化(AFAI)方法不仅实现了无需复杂样品前处理,敞开环境下样品的离子化,而且能够实现离子在大气压条件下的远距离传输,提高了远距离敞开式离子化质谱的检测灵敏度,扩展了对待测样品检测的空间灵活性。因此,本研究充分利用AFAI技术的上述优势以及适用于大面积或大体积样品质谱分子成像分析的特点,针对质谱成像实验的要求,设计及优化研制了AFAI-IMS系统所必需的软件及硬件平台。此外,重点考察了抽气流速对被测物的离子强度、簇合离子的产生及离子碎裂情况的影响；研制了侧向传输管系统,解决了生物组织样品碎屑易堵塞质谱仪锥孔的问题；同时,对传输管的长度、传输管出口至质谱仪采集锥的距离、电压等关键参数进行了优化考察。最终通过优化参数,采用模块化设计,将喷雾系统调节装置、三维电动平移台、样品载物台等系统进行整合,构建了AFAI-IMS成像分析技术平台。该平台在空间上可分离与独立调节,既保证了优化参数的稳定性,又能灵活地对各个部件的相对位置进行精密调整和测量,避免了各系统之间的相互干涉,并便于系统的优化。此外,通过同步自动化程序软件实现了载样控制平台与质谱分析器的同步控制。2. AFAI-IMS技术用于生物组织样品成像分析的可行性研究基于构建的AFAI-IMS成像系统平台,本研究首先以简单基质表面的记号笔笔记为对象,进行质谱成像的可行性和技术流程的考察。在优化AFAI-IMS技术关键参数的基础上,对生物组织样品成像分析、药物体内处置分析以及质谱成像数据采集及后期成像处理的流程等进行了探索研究。此外,采用液滴微连接表面采样探针(LMJ-SSP)与AFAI系统联用的技术对候选新药CAT在大鼠整体动物组织切片内的分布进行了轮廓分析研究,初步获得CAT在大鼠各器官的分布特征,为后期的整体大鼠质谱成像实验提供了指导和依据。进一步通过增加抽取气的流速改进了AFAI-IMS分析的灵敏度,并采用侧向传输管设计,解决了生物组织碎屑堵塞质谱仪锥孑L的问题,提高了AFAI-IMS的检测稳定性,为生物组织切片中低含量药物及其代谢产物的成像分析获得了可行性结果。此外,考察了质谱成像技术中交叉污染及残留情况、成像空间分辨率等关键指标,结果显示AFAI-IMS系统由于高流速的抽气,可以消除离子的空间扩散和蓄积,无明显的残留效应,且可满足质谱检测灵敏度,达到较好的空间分辨率。3.整体动物体内药物成像分析新方法研究本研究在AFAI-IMS技术系统优化和采用LMJ-SSP-AFAI-MS方法获得整体动物组织切片中药物分布轮廓的基础上,采用AFAI-IMS新技术开展了抗肿瘤候选新药(CAT)在正常大鼠和肿瘤模型小鼠体内的成像分析研究。研究结果表明,在给药后20min,CAT在脑、肺、肠、肾等器官中的分布含量高,而在肝脏和心脏分布较少；在给药后2h,CAT主要集中在胃中,同时可以发现主要的脱甲基代谢产物M1在肠中分布较高,尤其发现CAT在肿瘤组织中较高含量的分布特征。对比不同时间点的CAT及其代谢产物在动物体内的分布情况,获得了CAT在胃和肠中的特异性分布、代谢转化和排泄等重要信息。此外,选择大鼠代表性的实体器官,采用单器官的AFAI-IMS成像分析和LC-MS/MS定量分析,获得了与整体动物AFAI-IMS成像分析相一致的结果；同时验证了AFAI-IMS新方法在整体动物体内药物分布研究中的可靠性。另外,值得指出的是AFAI-IMS的成像分析结果与前期获得的CAT药理学实验数据具有很好的一致性。因此,结合药理学实验数据和AFAI-IMS成像结果,可以明确CAT在脑、脊髓、胰腺、肺等器官中具有选择性富集和靶向性特点,提示了CAT有望开发成用于治疗脑部等相关器官肿瘤的抗癌新药。此外,根据AFAI-IMS成像显示CAT在皮下脂肪富集,同时可以通过血脑屏障,但在肝脏分布少的结果,这与CAT具有的亲脂性特点相一致,并提示其对肝造成的损害可能性小。同时AFAI-IMS成像结果显示CAT及其代谢产物(M1)在胃肠道富集,这为解释该药可造成动物腹泻副作用提供了直观的关键依据。本项研究表明,AFAI-IMS方法可以获得全面可视化的药物处置信息,可用于直接发现候选药物的器官靶向性,预测抗癌药物的可能瘤谱。同时可对药物的药理活性及潜在毒性进行直观的预测以及提示药物作用机制,因此AFAI-IMS方法可为新药研发提供一种新的技术手段。此外,结合分子病理学研究,将AFAI-IMS方法用于生物标志物的原位筛查和成像分析,则它将有望发展成为一个新型的分子诊断工具。