Cell | 三维完整样本的空间蛋白组学研究

大家好，今天分享的文章来自2022年12月的Cell，题为:  Spatial proteomics in three-dimensional intact specimens ，本文介绍了作者团队开发的DISCO-MS技术，该技术利用生物成像技术与超高灵敏度质谱技术，能够用于对整个生物体或器官进行无偏空间蛋白组学分析，从而发现疾病病理事件发生发展相关的因素。本文的通讯作者是德国马克斯·普朗克生化研究所的Matthias Mann教授和慕尼黑亥姆霍兹中心组织工程与再生医学研究所Ali Ertürk教授。

技术介绍

DISCO-MS，全称3D imaging of solvent-cleared organs profiled by mass spectrometry，该空间蛋白组学技术，利用全器官全生物体透明化和成像技术、图像分析与智能组织提取技术进行空间定位，利用超高灵敏度质谱技术进行蛋白组学分析，能够实现对全组织区域进行无偏的空间蛋白组学分析，并保留其三维立体空间背景信息，用于发现各种疾病模型中初始病理事件相关的空间-分子图谱。

该空间蛋白组学技术首先利用组织/生物体透明化技术（即，DISCO）对生物体组织进行透明化处理，处理后，荧光标记的细胞便可以很容易的在完整组织中通过高分辨率三维显微镜被识别。识别锁定到感兴趣的区域后，使用DISCO-bot人工智能技术进行隔离，随后通过超高灵敏度质谱技术对其提取的组织区域进行蛋白质组分析，从而识别特定区域的蛋白分子特征。

应用实例

阿尔茨海默病(AD)小鼠模型

阿尔茨海默病(AD)病理的早期特征之一是 淀粉样β(A β)斑块在脑实质的积累，由于这些斑块的初始发病位置未知，作者首先构建了深度学习（DL）方法来识别小鼠脑部扫描中所有的淀粉样β斑块，随后对其进行区域化定量，并对不同疾病阶段的阿兹海默小鼠模型淀粉样β斑块进行评估，进而分析Aβ在不同阶段的区域化病理进程。

在确定该蛋白在大脑中的位置后，作者取4组病理部位组织（ROI 1-4）以及一个正常组织部位（C）作为对照，进行蛋白组质谱测定，获得了单斑块微环境的蛋白质组学数据及其对应的空间位置信息。作者比较了两组之间约2000个蛋白，结果显示，二者之间的PCA区分显著，差异表达显示，许多AD特征蛋白在病理区域高度表达，此外，还检测到未被报道的病理部位高表达的差异蛋白。作者还比较了ROI区域与与早期Ab斑块的蛋白质组之间的相似程度，结果显示，研究结果揭示了斑块相关蛋白的上调具有区域特异性，定义了早期Ab斑块形成的核心蛋白质组。

为满足大体积样本的自动化、微量、准确提取需求，研究团队还开发了一套自动组织提取系统DISCO-bot，该系统与数字扫描激光显微镜共同发挥作用，在成像时提取透明化组织的微小区域，用于后续蛋白质组学的研究（流程如下图）。

人类心脏中的动脉粥样硬化斑块(病理性硬化和血管狭窄)

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。其发病是由于冠状动脉粥样硬化斑块在冠状动脉内壁缓慢积聚，然后突然破裂，导致血栓形成，阻塞动脉，阻止血液流向身体其他部位。于是，接下来作者将DISCO-MS技术应用于人类心脏器官，在冠状动脉疾病(CAD)中测试了数字化辅助DISCO-MS方法，试图绘制其3D空间分子图谱。在实验中，作者首先获取了具有动脉粥样硬化斑块的人类心脏样本，使用透明化技术将其全透明化，并精确定位斑块相关区域的空间分布。随后分别在大的斑块相关区域和无斑块或小斑块区域提取了6个ROI，进行蛋白质组学研究。

作者在每个ROI中定量了1300个蛋白质，发现53个下调蛋白和6个上调蛋白。通路分析结果显示，在早期冠状动脉斑块形成的过程中，心脏肌肉收缩、血液凝固等途径相关蛋白表达上调，并且这些蛋白的变化呈现区域特异性。

总之，作者开发的DISCO-MS技术，能够通过组织透明化技术精准获取病变部位的样本，将病变部位与正常部位的样本处理后进行蛋白组学分析，为空间分子异质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环境的空间-分子基础，为复杂疾病提供更多诊断和治疗的机会。

撰写人：吴文惠

DOI:  10.1016/j.cell.2022.11.021

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