一、背景介绍

          肾小球作为肾脏的基本功能组织单位（FTUs），通过足细胞、系膜细胞、内皮细胞及肾小球基底膜的协同作用过滤血液。然而，肾小球在疾病状态下的分子特征变化尚不完全清楚。例如，糖尿病肾病会导致足细胞丧失、系膜扩张和基底膜增厚。为了更好地理解这些变化，研究人员开发了一种结合成像质谱（MALDI IMS）和多重免疫荧光显微镜（MxIF）的技术，以揭示肾小球细胞类型的原位分子特征。

 

二、材料方法

 

 

          研究中所使用样本为癌旁组织，在肾癌切除手术中获得，新鲜样本冷冻后进行MALDI IMS和MxIF的联合分析。MALDI IMS全称为基质辅助激光解吸/电离成像质谱技术，可在组织切片上实现代谢物成像，比如脂类、糖原等，直观呈现其在组织中的分布情况；MxIF指多重免疫荧光显微技术，可利用多种抗体对同一切片染色术，以检测多个蛋白的分布和定位。研究中质谱成像采用了正离子模式对肾小球区检测，以5微米分辨率采集脂类分布；对MxIF数据利用k-means算法进行聚类，利用SHAP值解释模型将MxIF数据与IMS数据相结合，识别出每个肾小球段和细胞类型的分子标记物，通过构建二元分类模型评估细胞类型特异性的脂质差异，并生成相关的生物标志物候选列表。

 

三、结果讨论

          研究成功获取了250个高分辨率（5微米）脂质分布的空间代谢图像，并且MxIF染色效果不受MALDI IMS影响，组织切片在MALDI IMS与MxIF染色后，张力蛋白、足细胞素、纤维连接蛋白和CD31的染色质量保持一致。m/z 为810.6的磷脂酰胆碱PC(38:4)被确定为内皮细胞相关片段的正相关标志物，同时为足细胞相关片段的负相关标志物；而m/z为703.58的鞘磷脂SM(d34:1)是足细胞相关片段的正相关标志物。SHAP分析显示了质谱离子对识别肾小球段的重要性，鞘磷脂SM(d34:1)显示出对足细胞相关段的强正相关性；对30个深部和30个表层肾小球的比较，发现多种脂肪酰基肉碱物种与深层肾小球细胞类型的正相关性，分类模型性能准确率、F1得分、精确率和召回率均超过85%。

 

四、研究结论

       ;   本研究结合了空间代谢、空间蛋白和机器学习方法，揭示了肾小球内特定细胞类型与脂类分布。该方法临床上的应用揭示了精准医学的前景，阐明了肾小球中不同细胞类型及其分子特征变化，有助于更精确地诊断和分型肾脏疾病，如糖尿病肾病和局灶节段性肾小球硬化（FSGS），通过识别特定标记物，可以在疾病早期阶段检测到病理变化，帮助医生进行早期干预和预后评估，提高患者的治疗效果和生活质量，从而推动个性化治疗的发展。

          文中所提到的质谱成像技术能够有效获取代谢物质的空间分布信息，揭示局部异质性；多染色技术可以在同一切片上检测多个蛋白标志物，更全面了解肾小球内部复杂的细胞结构和功能关系；而机器学习可以高效识别潜在标志物，为后续的实验验证和临床应用提供了重要线索。

 

五、结果展开

图1. 图形摘要展示质谱成像与多重免疫染色对肾小球进行分析。

 

          研究结合了MALDI IMS和MxIF技术，基于组织切片生成脂质分布热图与多重荧光标记抗体免疫染色图像，并验证了前者处理不影响免疫染色质量。结果显示了一些脂类物质在肾小球内的分布图，比如磷脂酰胆碱PC(38:4)和鞘磷脂SM(d34:1)，可以作为内皮细胞和足细胞的相关标志物；依据SHAP值解释模型生成的气泡图，进一步揭示了分子标记物重要性与相关性。

 

图2. 展示了MALDI IMS实验对MxIF实验结果质量并无明显影响。

 

       ;   研究比较了两组肾组织切片，一组仅使用MxIF染色（a），另一组在MALDI IMS后再行MxIF染色（b），结果显示染色效果相近，其中足细胞素（Podocalyxin，粉红色）标记足细胞，张力蛋白（Tensin，黄色）标记系膜细胞，纤维连接蛋白（Fibronectin，红色）标记基质蛋白，CD31（绿色）标记内皮细胞，此外αSMA表示α-平滑肌肌动蛋白，AQP1表示水通道蛋白1。

 

图3. 描述了三个肾小球的多模态分子成像图。

a. 质谱成像显示PC(38:4)（m/z 810.6）和SM(d34:1)（m/z 703.58）在肾小球内分布的异质性。
b. 多重免疫染色显示podocalyxin、CD31和tensin在肾小球内分布。
c. 通过对MxIF数据进行k-means聚类分析并将不同簇与特定细胞类型进行关联。

 

图4. 显示基于IMS和MxIF数据的肾小球不同区域的分子特征。

 

a. 显示了簇1（系膜细胞）与簇4和簇6（足细胞）之间的平均离子强度差异。
b. 显示了簇2（内皮细胞）与簇4和簇6（足细胞）之间的平均离子强度差异。
c. 基于SHAP分析生成的气泡图，显示肾小球不同区域及主要标志物，其中气泡大小表示重要性，较大气泡表示更为重要；气泡颜色表示相关性，红色表示正相关（富集），蓝色表示负相关（减少）。

 

参考文献：

Esselman AB, Moser FA, Tideman LEM, Migas LG, Djambazova KV, Colley ME, Pingry EL, Patterson NH, Farrow MA, Yang H, Fogo AB, de Caestecker M, Van de Plas R, Spraggins JM. In situ molecular profiles of glomerular cells by integrated imaging mass spectrometry and multiplexed immunofluorescence microscopy. Kidney Int. 2025 Feb;107(2):332-337. doi: 10.1016/j.kint.2024.11.008. Epub 2024 Nov 20. PMID: 39571907.