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基于微流控技術和遷移學習的復雜組織高分辨率空間分辨蛋白質組學研究

文獻背景


近年來基于質譜(MS)的蛋白質組學技術 [ 如激光捕獲顯微切割(LCM)、基質輔助激光解吸/電離質譜成像(MALDI-MSI)、微支架輔助空間蛋白質組學(MASP)等 ] 在單細胞及空間分辨率解析藥物擾動、組織微區(qū)室蛋白質組等方面展現潛力,但面臨低豐度蛋白檢測難、需大量質譜測量、分辨率低等挑戰(zhàn);基于解離的單細胞技術和空間基因組學、轉錄組學技術在揭示組織結構或細胞狀態(tài)上存在局限,且僅依賴核酸測量無法反映蛋白質調控及翻譯后修飾等關鍵生物過程;多重檢測等基于免疫測定的技術受限于抗體制備成本、檢測抗原數量及檢測偏倚問題,因此,開發(fā)高覆蓋度、無偏倚的空間蛋白質組學分析技術成為當前迫切需求。

 

基本信息

 

題目:High-resolution spatially resolved proteomics of complex tissues based on microfluidics and transfer learning

期刊:Cell

影響因子:45.5

文章DOI: 10.1016/j.cell.2024.12.023    

通訊作者:趙方慶 冀培豐

作者單位:中國科學院動物研究所

 

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摘要

盡管近年來基于成像和抗體的方法取得了進展,但在空間蛋白質組學中,實現整個組織的高分辨率深度蛋白質映射仍然是一個重大挑戰(zhàn)。目前高分辨率空間質譜蛋白質組學平臺(PLATO)已經實現對全組織切片中的數千種蛋白質進行高分辨率映射。通過對小鼠小腦的空間蛋白質組分析,驗證了PLATO框架的有效性,單次運行中鑒定出2564個蛋白質組。將PLATO應用于大鼠絨毛和人類乳腺癌樣本時,該平臺不僅實現了25微米的空間分辨率,還揭示了與疾病狀態(tài)相關的蛋白質組動態(tài)變化。進一步揭示了空間上不同的腫瘤亞型,識別了關鍵失調蛋白質,并為腫瘤微環(huán)境的復雜性提供了新視角。

 

研究內容及結果

 

1.芯片上蛋白質組學制備和交叉污染評估

與使用4-己基苯基氮磺酸鹽和正十二烷基-β-D-麥芽糖苷的表面活性劑輔助裂解管道法相比,直接裂解管道法鑒定的蛋白質組數量增加了2倍(圖1C)。并且改善可能源于消化前胰蛋白酶對微通道的吸附,減少了非特異性蛋白質吸附。芯片內蛋白質組學制備流程能夠高效實現蛋白質提取,同時將交叉污染降低。直接裂解技術可在芯片平臺上實現高效且無偏倚的組織原位消化,為后續(xù)蛋白質組分析提供了可靠的前處理基礎(圖1D)。

 

結論

該研究提出了一種名為PLATO(Parallel-flow Projection and Transfer Learning Across Omics data)的空間蛋白質組學技術框架,相較于現有的LCM-MS聯(lián)用技術(如nanoPOTS、DVP和MASP等方法),PLATO通過創(chuàng)新的微流控并行采樣結合遷移學習算法(Flow2Spatial),成功克服了傳統(tǒng)方法在組織覆蓋范圍、通量和分辨率等方面的關鍵限制。該技術僅需約60次LC-MS/MS檢測即可從小鼠小腦組織中鑒定約3000種蛋白質,實現了25 μm的高空間分辨率和全組織層面的蛋白質組測繪,同時顯著降低了實驗復雜度與成本。

盡管PLATO在空間蛋白質組成像領域取得了重要突破,但仍存在若干需要改進的方向:首先,當前25 μm的分辨率尚未達到單細胞水平,可通過開發(fā)更精密的微流控通道(如10 μm)或整合空間轉錄組數據進行算法優(yōu)化;其次,需要更快速可靠的質譜檢測系統(tǒng)以提升臨床適用性;最后,現有技術尚未涵蓋蛋白質翻譯后修飾(PTMs)的分析,未來可通過在微流控工作流程中引入親和捕獲等富集步驟加以擴展。

總體而言,PLATO技術通過將微流控高通量采樣與人工智能算法相結合,為理解生物組織中蛋白質的空間調控機制提供了強有力的工具,其簡便的操作流程和優(yōu)異的性能指標使其在基礎研究和臨床轉化中都具有廣闊的應用前景。

 

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G1121

改良蘇木素伊紅(HE)

染色試劑盒

G1140

Cole蘇木素染色液

(常規(guī)染色)

G1100

伊紅染色液

(HE染色)

G1862

HE分化液



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