Nature Cancer | 三维成像质谱仪(IMC)推进蛋白质空间分布的研究

原创 风不止步 图灵基因 2022-01-11 07:03

收录于话题#前沿分子生物学机制

撰文：风不止步

IF：Nature 新子刊

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亮点：

三维模型揭示细胞和微环境的异质性以及在二维中无法检测的细胞级组织。三维成像质谱仪（IMC）被证明在研究发生在三维空间的现象（如肿瘤细胞侵袭）方面具有强大的作用，为细胞微环境和组织结构提供见解。

2021年12月24日，瑞士苏黎世大学Bernd Bodenmiller博士等人在《Nature Cancer》上发表了一篇“Three-dimensional imaging mass cytometry for highly multiplexed molecular and cellular mapping of tissues and the tumor microenvironment”的文章，报告了三维成像质谱仪（IMC）的发展，用于单细胞分辨率的多重三维组织分析，并通过对人类乳腺癌样本的分析证明了该技术的效用。

组织和器官是复杂的生态系统，由许多细胞类型组成，其排列方式与功能密不可分。因此，了解组织功能和病理需要了解组成细胞及其状态、细胞外基质蛋白和血管在其原始三维排列中的情况。共聚焦三维显微镜能够以亚细胞的分辨率分析组织切片，但仅限于约100µm的深度。多光子共聚焦和光片显微镜可以在单细胞分辨率下对1毫米的组织深度进行三维重建。由于这些三维显微镜方法依赖于显示高光谱重叠的荧光报告器，所以可以同时测量的表位数是有限的。

（图1：三维IMC的实验和计算工作流程。）

为进行多重组织分析，使用了循环免疫染色和色原法，这种方法已经在三维中实现。除了基于荧光的方法外，基于质谱的表位和转录物成像也开始广泛使用。在基于质谱的技术中，质量标签被用作亲和试剂的报告者，如规定质量的分子或金属同位素。IMC可以同时检测福尔马林固定的石蜡包埋（FFPE）组织、冷冻组织切片和培养的细胞中多达40种抗原和核酸序列。然而，目前这些方法都没有将许多目标的多重检测与三维组织成像结合起来，而三维组织成像对于单细胞和较大结构（如血管）的可视化是必要的。标志物表达的空间异质性和优先的细胞-细胞相互作用在三维模型中变得很明显，而且空间上包含的事件可以在单个三维模型中被捕获。

（图2：三维IMC生成的乳腺癌模型的单细胞分割。）

文章展示了一种用于FFPE组织的复用、单细胞分辨率、三维分析策略。三维IMC将使任何组织类型的原始组织结构背景下的细胞系和交流机制的详细可视化和分析。使用多重二维成像方法的研究表明，乳腺癌和结直肠癌的空间细胞群落和临床结果之间存在关联，细胞相互作用模式的差异与糖尿病的疾病进展有关。已经证明，空间邻域的测量在三维和二维图像之间会有所不同。由于三维测量与二维表示相比有望更好地捕捉组织成分，三维IMC可能被证明特别有利于研究微环境对肿瘤细胞生物学的影响。此外，三维方法对于研究胰腺癌患者样本中的肿瘤侵入血管或识别胰腺癌、结直肠癌、肺癌和乳腺癌患者样本中的肿瘤萌芽是不可或缺的，因为这两种现象都不能在单一的二维图像中清楚地表现出来。三维IMC将适合于捕捉此类事件，由于IMC的多重性，该方法将有助于详细了解与入侵事件相关的细胞特征。

（图3：乳腺癌样本中的3D IMC数据的单细胞分析。）

（图4：3D与2D IMC的距离测量比较。）

额外的计算和技术发展将进一步提高三维IMC的效用。例如，采集时间很长（每个肿瘤样本需要4天）。开发具有更高的消融速度的硬件将缩短采集时间，或者说有更好的分辨率。随着三维IMC数据量的增加，基于机器学习方法的三维细胞分割方法也可以实现，这可以提供更准确的细胞形状表现，减少不明确的细胞表型。此外，新开发的可视化和分析工具，包括虚拟现实应用，可增强新开发的可视化和分析工具，包括虚拟现实应用，以增加可同时进行三维可视化的数据量，将进一步促进对这种详细的三维数据集的分析。总之，三维IMC方法推进了对三维组织结构中蛋白质空间分布的研究。

教授介绍

Bernd Bodenmiller 教授博士定量生物医学教授癌症的单细胞系统生物学

我们的实验室开发了实验和计算方法，以揭开癌症发展的单细胞水平的调节系统。肿瘤是一种组织疾病。肿瘤是由无数的癌细胞克隆及其分化连续体组成的，也包括不同类型的正常细胞。这些细胞中的每个细胞的调控回路都与细胞间的调控系统相耦合，这些调控系统依赖于细胞间的交流和空间特征。这些耦合的控制系统的错综复杂的相互作用对肿瘤的发展和最终疾病的发展有很大的影响。我们小组的目标是开发基于CyTOF质谱仪的方法来定量分析跨细胞回路。基于质谱数据，我们对肿瘤中复杂的细胞表型如何被控制进行建模和分析。我们希望，这将使有针对性的调控能够干扰癌症和肿瘤发展的特征。

参考文献

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