Nature Cancer | 三維成像質(zhì)譜儀(IMC)推進(jìn)蛋白質(zhì)空間分布的研究

原創(chuàng)?風(fēng)不止步?圖靈基因?2022-01-11 07:03

收錄于話題#前沿分子生物學(xué)機(jī)制

撰文：風(fēng)不止步

IF：Nature?新子刊

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三維模型揭示細(xì)胞和微環(huán)境的異質(zhì)性以及在二維中無法檢測的細(xì)胞級(jí)組織。三維成像質(zhì)譜儀（IMC）被證明在研究發(fā)生在三維空間的現(xiàn)象（如腫瘤細(xì)胞侵襲）方面具有強(qiáng)大的作用，為細(xì)胞微環(huán)境和組織結(jié)構(gòu)提供見解。

2021年12月24日，瑞士蘇黎世大學(xué)Bernd Bodenmiller博士等人在《Nature Cancer》上發(fā)表了一篇“Three-dimensional imaging mass cytometry for highly multiplexed molecular and cellular mapping of tissues and the tumor microenvironment”的文章，報(bào)告了三維成像質(zhì)譜儀（IMC）的發(fā)展，用于單細(xì)胞分辨率的多重三維組織分析，并通過對人類乳腺癌樣本的分析證明了該技術(shù)的效用。

組織和器官是復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，由許多細(xì)胞類型組成，其排列方式與功能密不可分。因此，了解組織功能和病理需要了解組成細(xì)胞及其狀態(tài)、細(xì)胞外基質(zhì)蛋白和血管在其原始三維排列中的情況。共聚焦三維顯微鏡能夠以亞細(xì)胞的分辨率分析組織切片，但僅限于約100μm的深度。多光子共聚焦和光片顯微鏡可以在單細(xì)胞分辨率下對1毫米的組織深度進(jìn)行三維重建。由于這些三維顯微鏡方法依賴于顯示高光譜重疊的熒光報(bào)告器，所以可以同時(shí)測量的表位數(shù)是有限的。

（圖1：三維IMC的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算工作流程。）

為進(jìn)行多重組織分析，使用了循環(huán)免疫染色和色原法，這種方法已經(jīng)在三維中實(shí)現(xiàn)。除了基于熒光的方法外，基于質(zhì)譜的表位和轉(zhuǎn)錄物成像也開始廣泛使用。在基于質(zhì)譜的技術(shù)中，質(zhì)量標(biāo)簽被用作親和試劑的報(bào)告者，如規(guī)定質(zhì)量的分子或金屬同位素。IMC可以同時(shí)檢測福爾馬林固定的石蠟包埋（FFPE）組織、冷凍組織切片和培養(yǎng)的細(xì)胞中多達(dá)40種抗原和核酸序列。然而，目前這些方法都沒有將許多目標(biāo)的多重檢測與三維組織成像結(jié)合起來，而三維組織成像對于單細(xì)胞和較大結(jié)構(gòu)（如血管）的可視化是必要的。標(biāo)志物表達(dá)的空間異質(zhì)性和優(yōu)先的細(xì)胞-細(xì)胞相互作用在三維模型中變得很明顯，而且空間上包含的事件可以在單個(gè)三維模型中被捕獲。

（圖2：三維IMC生成的乳腺癌模型的單細(xì)胞分割。）

文章展示了一種用于FFPE組織的復(fù)用、單細(xì)胞分辨率、三維分析策略。三維IMC將使任何組織類型的原始組織結(jié)構(gòu)背景下的細(xì)胞系和交流機(jī)制的詳細(xì)可視化和分析。使用多重二維成像方法的研究表明，乳腺癌和結(jié)直腸癌的空間細(xì)胞群落和臨床結(jié)果之間存在關(guān)聯(lián)，細(xì)胞相互作用模式的差異與糖尿病的疾病進(jìn)展有關(guān)。已經(jīng)證明，空間鄰域的測量在三維和二維圖像之間會(huì)有所不同。由于三維測量與二維表示相比有望更好地捕捉組織成分，三維IMC可能被證明特別有利于研究微環(huán)境對腫瘤細(xì)胞生物學(xué)的影響。此外，三維方法對于研究胰腺癌患者樣本中的腫瘤侵入血管或識(shí)別胰腺癌、結(jié)直腸癌、肺癌和乳腺癌患者樣本中的腫瘤萌芽是不可或缺的，因?yàn)檫@兩種現(xiàn)象都不能在單一的二維圖像中清楚地表現(xiàn)出來。三維IMC將適合于捕捉此類事件，由于IMC的多重性，該方法將有助于詳細(xì)了解與入侵事件相關(guān)的細(xì)胞特征。

（圖3：乳腺癌樣本中的3D IMC數(shù)據(jù)的單細(xì)胞分析。）

（圖4：3D與2D IMC的距離測量比較。）

額外的計(jì)算和技術(shù)發(fā)展將進(jìn)一步提高三維IMC的效用。例如，采集時(shí)間很長（每個(gè)腫瘤樣本需要4天）。開發(fā)具有更高的消融速度的硬件將縮短采集時(shí)間，或者說有更好的分辨率。隨著三維IMC數(shù)據(jù)量的增加，基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的三維細(xì)胞分割方法也可以實(shí)現(xiàn)，這可以提供更準(zhǔn)確的細(xì)胞形狀表現(xiàn)，減少不明確的細(xì)胞表型。此外，新開發(fā)的可視化和分析工具，包括虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，可增強(qiáng)新開發(fā)的可視化和分析工具，包括虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，以增加可同時(shí)進(jìn)行三維可視化的數(shù)據(jù)量，將進(jìn)一步促進(jìn)對這種詳細(xì)的三維數(shù)據(jù)集的分析?？傊?，三維IMC方法推進(jìn)了對三維組織結(jié)構(gòu)中蛋白質(zhì)空間分布的研究。

教授介紹

Bernd Bodenmiller?教授博士定量生物醫(yī)學(xué)教授癌癥的單細(xì)胞系統(tǒng)生物學(xué)

我們的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方法，以揭開癌癥發(fā)展的單細(xì)胞水平的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。腫瘤是一種組織疾病。腫瘤是由無數(shù)的癌細(xì)胞克隆及其分化連續(xù)體組成的，也包括不同類型的正常細(xì)胞。這些細(xì)胞中的每個(gè)細(xì)胞的調(diào)控回路都與細(xì)胞間的調(diào)控系統(tǒng)相耦合，這些調(diào)控系統(tǒng)依賴于細(xì)胞間的交流和空間特征。這些耦合的控制系統(tǒng)的錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用對腫瘤的發(fā)展和最終疾病的發(fā)展有很大的影響。我們小組的目標(biāo)是開發(fā)基于CyTOF質(zhì)譜儀的方法來定量分析跨細(xì)胞回路?；谫|(zhì)譜數(shù)據(jù)，我們對腫瘤中復(fù)雜的細(xì)胞表型如何被控制進(jìn)行建模和分析。我們希望，這將使有針對性的調(diào)控能夠干擾癌癥和腫瘤發(fā)展的特征。

參考文獻(xiàn)

Bob Chen Cherie’R. Scurrahet al.Differential pre-malignant programs and microenvironment chart distinctpaths to malignancy in human colorectal polyps.(2021)