甲状腺肿瘤是头颈部最为常见的实体肿瘤,其发病率在我国逐年上升。起源于滤泡上皮细胞的分化性癌,即乳头状癌和滤泡癌分别占全部甲状腺恶性肿瘤的80%和14%,起源于滤泡旁C细胞的髓样癌占4%,其余2%为高度侵袭的未分化癌。不同类型的甲状腺肿瘤在病理特点、遗传学特征和生物学行为等方面都各不相同,即使是同一类型不同亚型的甲状腺肿瘤,它们在临床诊治上也存在差异。正确诊断甲状腺肿瘤的不同分型,有助于针对不同个体匹配最佳的治疗方案,从而实现个体化的精准治疗。当前甲状腺结节的细胞学和组织病理学检查被认为是甲状腺肿瘤诊断的金标准,然而,当诊断具有相似病理特征的不同肿瘤类型时,单一的形态学评估是有限的。因此,基于分子表型区分的研究思路,本论文研究工作采用空气动力辅助解吸电喷雾离子化(AFADESI)质谱成像(MSI)代谢组学方法,并结合自主开发的质谱成像数据处理软件Masslmager,开展了甲状腺良性腺瘤、恶性滤泡癌、乳头状癌及其亚型的质谱成像分析,发现了能够区分良恶性肿瘤的小分子标志物组;并进一步构建整体代谢轮廓的诊断模型,实现了五种病理分型的诊断预测分析;开展了经典型乳头状癌的质谱成像代谢组学分析,发现了乳头状癌特征性的代谢改变,推测并验证了异常代谢途径中的关键代谢酶。上述研究表明,凭借质谱成像技术原位可视化的分析优势,从内源性分子水平,既可以实现甲状腺肿瘤不同病理分型的诊断区分,有助于临床疑难病例的组织病理诊断;又可以揭示肿瘤发生发展中的代谢变化,帮助开发新的甲状腺肿瘤治疗靶点。本论文的研究内容主要包括以下三个部分:1.质谱成像代谢组学数据处理软件的开发基于C++语言以及OpenGL的3D可视化技术,本课题组与科迈恩软件公司合作开发了一款通用强大且简单易用的质谱成像数据处理软件“Masslmager”,具有功能强大、性能突出、可视化效果丰富、兼容多种数据格式、操作简便直观、图形用户界面友好等特点。软件融合了包括化学计量学、质谱图像模式识别,以及并行计算等前沿的数据分析技术,可为质谱成像代谢组学的数据处理提供一套完整的解决方案。相比于其他质谱成像的数据处理软件,MassImager有三个创新之处:光学图像的叠加选区,自动化及交互式的图像分析,复杂且多维度MSI数据中潜在生物学信息的高效提取。2.质谱成像代谢组学分子病理诊断方法及其甲状腺肿瘤分型应用研究采用敞开式的AFADESI-MSI技术,开展了甲状腺良性腺瘤与恶性滤泡癌、乳头状癌及其亚型等多种病理分型的质谱成像分析。运用OPLS-DA多变量统计方法对获得的质谱成像数据进行统计分析,成功发现了一批潜在的分子标志物,同时建立了基于整体代谢轮廓的诊断模型,并从上述两个层面实现甲状腺肿瘤不同病理分型的诊断区分。在基于分子标志物的病理诊断方法研究中,通过鉴定得到不同分型之间的差异代谢物,形成了多个可靠的诊断标志物组,用以实现良性腺瘤与恶性滤泡型、乳头状癌的诊断区分;在基于诊断模型的病理诊断方法研究中,结合光学图像的叠加选区功能,可以快速实现肿瘤组织中可疑病灶点的病理诊断分型。3.甲状腺经典型乳头状癌的质谱成像代谢组学研究采用敞开式的AFADESI-MSI技术,开展了 39例经典型乳头状癌的原位代谢组学研究,通过癌与癌旁组织的代谢组学分析,发现并鉴定了一批与经典型乳头状癌诊断或癌变发展相关的潜在小分子标志物,其中大部分代谢物在癌中有明显上调的趋势,少数代谢物如柠檬酸在癌中明显下调。代谢通路分析表明,丙氨酸,天冬氨酸和谷氨酸代谢;精氨酸和脯氨酸代谢;甘氨酸,丝氨酸和苏氨酸代谢;氨基酰tRNA生物合成;赖氨酸代谢;谷氨酰胺和谷氨酸代谢;组氨酸代谢和甘油磷脂类代谢等8条代谢通路与甲状腺经典型乳头状癌的发生发展机制密切相关。进一步通过免疫组化实验,验证了甘油磷脂类通路中关键酶的上调性表达。