缺血性脑卒中是威胁人类健康的主要疾病。半暗带是缺血性脑卒中急性期治疗抢救的关键区域,在分子水平上对半暗带进行表征尚未能实现。缺血性脑卒中在治疗上仍缺乏理想的药物。脑卒中治疗候选药物CZ-7是黄皮茎枝提取物ClaulansineF的衍生物,其在脑内分布、代谢过程、代谢产物及作用机制尚不明确。质谱成像技术是新兴的药物代谢组学分析手段。对卒中脑组织进行质谱成像代谢组学分析时,由缺血损伤引起的功能代谢异常易被显著的结构特征掩盖,难以发现功能代谢特征改变,这制约了质谱成像技术在卒中机制研究、相关代谢标志物筛选和药物疗效监测等方面的应用。因此,开发出能够在高度异质性组织的质谱成像数据中挖掘出感兴趣功能代谢特征的数据处理方法,实现功能代谢特征的识别、定位和注释,对于中枢神经系统疾病研究和候选药物药效及作用机制研究具有重要意义。本研究采用质谱成像数据驱动的策略,建立了对潜在功能代谢特征进行精细识别的新方法。采用该方法对大鼠卒中模型脑组织进行分析,无需组织学染色即可高效识别出缺血核心、半暗带和正常组织。该方法对缺血核心区的识别结果同组织学染色、透射电镜观察具有非常好的一致性,能够在代谢水平上对半暗带进行识别和定位,具有良好的适用性。在对卒中脑组织功能代谢特征进行识别和划分的基础上,采用成像代谢组学技术对卒中脑组织缺血核心、半暗带和正常区域进行了代谢特征的空间定位和注释,并基于代谢物共定位对这三个区域进行代谢动态变化时序分析。将上述方法应用于CZ-7干预下的卒中模型,对鼠脑功能代谢特征进行定位和注释,根据CZ-7给药后各功能区面积改变和三羧酸循环等代谢特征重塑情况对CZ-7的作用机制进行了初步探讨。此外,依据LC-MS-IDA-MS/MS质量亏损过滤分析获得的CZ-7体内代谢信息,采用AFADESI-MSI分别获取CZ-7在大鼠整体动物、各组织器官及脑内的分布和代谢的可视化数据,结合CZ-7在脑内缺血核心、半暗带和正常组织的原位药代动力学分析结果,对其药效进行了评价。本论文的研究内容主要分为以下三个部分:1.脑功能代谢特征的识别方法研究在脑损伤模型质谱成像结果中,功能损伤引起的代谢特征常被脑解剖结构的代谢特征所干扰,影响无监督模式识别的准确性。本研究建立了基于数据驱动策略的脑功能代谢特征识别新方法,通过预选离子进行功能富集和靶向功能通路的无监督识别,消除了源自解剖结构代谢特征的干扰,有效地挖掘出潜在的损伤相关功能的代谢特征。将该方法用于卒中模型鼠脑缺血损伤的识别,准确地对缺血核心、半暗带和正常供血区做出定位。采用有监督多元统计分析对所发现半暗带区域的代谢特异性进行了证实。在此基础上,筛选出含量与缺血损伤呈正相关的代谢标志物DHA,将其用于定量判别半暗带和缺血核心区的截断值分别为29.9 pg/mm2和64.8 pg/mm2组织含量。相比于传统缺血区识别方法（如TTC染色）,所建方法更为灵敏、准确,减少了组织消耗,有望为脑卒中模型研究、损伤评估、候选药物评价提供技术支撑。2.卒中模型鼠脑的代谢特征定位和注释研究在上述对卒中脑组织功能代谢特征进行识别和划分的基础上,采用质谱成像代谢组学技术对卒中脑组织缺血核心、半暗带和正常区域的代谢特征进行空间定位和注释。在缺血核心区存在丙氨酸、天冬氨酸与谷氨酸代谢、鞘酯代谢、精氨酸与脯氨酸代谢、甘油磷脂代谢等1 1条代谢通路发生显著改变,这些通路与卒中后脑内能量代谢、氧化应激、钠钾离子失衡及炎症反应的机制相关。采用关键通路上一步转化的代谢物“上下游反应对”比值重构成像方法对代谢酶活性进行表征,显示ACO2酶及LTA4水解酶在缺血核心显著上调,并通过免疫组化实验验证。对半暗带区进行代谢特征定位注释,发现磷脂酰肌醇信号通路、糖酵解、三羧酸循环、磷酸戊糖途径、果糖和甘露糖代谢等代谢通显著改变。本研究还对缺血后1 h～27d不同时间的样品进行了代谢特征定位注释,对不同功能区内代谢物的动态变化规律及相关生物学机制进行了探究。本研究首次从代谢物和代谢酶水平对缺血半暗带进行了定位注释,为卒中机制研究提供了新的线索。3.脑卒中候选药物CZ-7的体内分析及其干预下的功能代谢特征定位注释研究使用液质联用及质谱成像技术对CZ-7给药大鼠进行体内药物分析,并建立基于脑功能代谢特征识别的候选药物药效评价方法。采用LC-MS-IDA-MS/MS结合质量亏损过滤的分析方法对CZ-7进行代谢产物鉴定,初步找到17种CZ-7在体内的代谢形式,并初步鉴定了 3个代谢产物结构。采用AFADESI-MSI方法对CZ-7在各器官及脑组织各微区空间分布进行表征,发现CZ-7在各主要器官均有分布,主要在肝、肾、肺进行代谢,给药后迅速入脑,在脑室含量较高。CZ-7在脑损伤功能区的原位药代动力学结果表明,CZ-7在脑内消除慢,给药后30min～6 h较稳定存在于各个区域,在缺血区药效更持久。通过威尔科克森符号秩成对比较检验发现,卒中脑组织核心区面积在CZ-7给药后显著减小,半暗带区面积显著增加,卒中后显著变化的能量代谢物含量有回复趋势,提示CZ-7通过部分恢复能量供应,对卒中有显著治疗作用。原位药物代谢组学分析结果还提示CZ-7具有清除体内自由基、激活内源性抗氧化应激系统、拮抗缺血造成的氧化应激损伤的作用,通过抗氧化功能实现神经保护作用。