大家好，今天分享的文章來自2022年12月的Cell，題為:  Spatial proteomics in three-dimensional intact specimens ，本文介紹了作者團(tuán)隊(duì)開發(fā)的DISCO-MS技術(shù)，該技術(shù)利用生物成像技術(shù)與超高靈敏度質(zhì)譜技術(shù)，能夠用于對(duì)整個(gè)生物體或器官進(jìn)行無偏空間蛋白組學(xué)分析，從而發(fā)現(xiàn)疾病病理事件發(fā)生發(fā)展相關(guān)的因素。本文的通訊作者是德國(guó)馬克斯·普朗克生化研究所的Matthias Mann教授和慕尼黑亥姆霍茲中心組織工程與再生醫(yī)學(xué)研究所Ali Ertürk教授。

技術(shù)介紹

DISCO-MS，全稱3D imaging of solvent-cleared organs profiled by mass spectrometry，該空間蛋白組學(xué)技術(shù)，利用全器官全生物體透明化和成像技術(shù)、圖像分析與智能組織提取技術(shù)進(jìn)行空間定位，利用超高靈敏度質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行蛋白組學(xué)分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全組織區(qū)域進(jìn)行無偏的空間蛋白組學(xué)分析，并保留其三維立體空間背景信息，用于發(fā)現(xiàn)各種疾病模型中初始病理事件相關(guān)的空間-分子圖譜。

該空間蛋白組學(xué)技術(shù)首先利用組織/生物體透明化技術(shù)（即，DISCO）對(duì)生物體組織進(jìn)行透明化處理，處理后，熒光標(biāo)記的細(xì)胞便可以很容易的在完整組織中通過高分辨率三維顯微鏡被識(shí)別。識(shí)別鎖定到感興趣的區(qū)域后，使用DISCO-bot人工智能技術(shù)進(jìn)行隔離，隨后通過超高靈敏度質(zhì)譜技術(shù)對(duì)其提取的組織區(qū)域進(jìn)行蛋白質(zhì)組分析，從而識(shí)別特定區(qū)域的蛋白分子特征。

應(yīng)用實(shí)例

阿爾茨海默病(AD)小鼠模型

阿爾茨海默病(AD)病理的早期特征之一是 淀粉樣β(A β)斑塊在腦實(shí)質(zhì)的積累，由于這些斑塊的初始發(fā)病位置未知，作者首先構(gòu)建了深度學(xué)習(xí)（DL）方法來識(shí)別小鼠腦部掃描中所有的淀粉樣β斑塊，隨后對(duì)其進(jìn)行區(qū)域化定量，并對(duì)不同疾病階段的阿茲海默小鼠模型淀粉樣β斑塊進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而分析Aβ在不同階段的區(qū)域化病理進(jìn)程。

在確定該蛋白在大腦中的位置后，作者取4組病理部位組織（ROI 1-4）以及一個(gè)正常組織部位（C）作為對(duì)照，進(jìn)行蛋白組質(zhì)譜測(cè)定，獲得了單斑塊微環(huán)境的蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的空間位置信息。作者比較了兩組之間約2000個(gè)蛋白，結(jié)果顯示，二者之間的PCA區(qū)分顯著，差異表達(dá)顯示，許多AD特征蛋白在病理區(qū)域高度表達(dá)，此外，還檢測(cè)到未被報(bào)道的病理部位高表達(dá)的差異蛋白。作者還比較了ROI區(qū)域與與早期Ab斑塊的蛋白質(zhì)組之間的相似程度，結(jié)果顯示，研究結(jié)果揭示了斑塊相關(guān)蛋白的上調(diào)具有區(qū)域特異性，定義了早期Ab斑塊形成的核心蛋白質(zhì)組。

為滿足大體積樣本的自動(dòng)化、微量、準(zhǔn)確提取需求，研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一套自動(dòng)組織提取系統(tǒng)DISCO-bot，該系統(tǒng)與數(shù)字掃描激光顯微鏡共同發(fā)揮作用，在成像時(shí)提取透明化組織的微小區(qū)域，用于后續(xù)蛋白質(zhì)組學(xué)的研究（流程如下圖）。

人類心臟中的動(dòng)脈粥樣硬化斑塊(病理性硬化和血管狹窄)

急性心肌梗死(MI)是心血管疾病死亡的主要原因，也是全世界死亡的主要原因。其發(fā)病是由于冠狀動(dòng)脈粥樣硬化斑塊在冠狀動(dòng)脈內(nèi)壁緩慢積聚，然后突然破裂，導(dǎo)致血栓形成，阻塞動(dòng)脈，阻止血液流向身體其他部位。于是，接下來作者將DISCO-MS技術(shù)應(yīng)用于人類心臟器官，在冠狀動(dòng)脈疾病(CAD)中測(cè)試了數(shù)字化輔助DISCO-MS方法，試圖繪制其3D空間分子圖譜。在實(shí)驗(yàn)中，作者首先獲取了具有動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的人類心臟樣本，使用透明化技術(shù)將其全透明化，并精確定位斑塊相關(guān)區(qū)域的空間分布。隨后分別在大的斑塊相關(guān)區(qū)域和無斑塊或小斑塊區(qū)域提取了6個(gè)ROI，進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)研究。

作者在每個(gè)ROI中定量了1300個(gè)蛋白質(zhì)，發(fā)現(xiàn)53個(gè)下調(diào)蛋白和6個(gè)上調(diào)蛋白。通路分析結(jié)果顯示，在早期冠狀動(dòng)脈斑塊形成的過程中，心臟肌肉收縮、血液凝固等途徑相關(guān)蛋白表達(dá)上調(diào)，并且這些蛋白的變化呈現(xiàn)區(qū)域特異性。

總之，作者開發(fā)的DISCO-MS技術(shù)，能夠通過組織透明化技術(shù)精準(zhǔn)獲取病變部位的樣本，將病變部位與正常部位的樣本處理后進(jìn)行蛋白組學(xué)分析，為空間分子異質(zhì)性的研究提供了有力武器，有助于分析疾病早期及特定病理環(huán)境的空間-分子基礎(chǔ)，為復(fù)雜疾病提供更多診斷和治療的機(jī)會(huì)。

撰寫人：吳文惠

DOI:  10.1016/j.cell.2022.11.021

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