如何实现从细胞到亚细胞尺度的高通量空间蛋白质组学?

悬滴式96孔流程约两小时完成激光显微切割FFPE组织的质谱样品制备。

直接答案

论文给出的答案是一套悬滴式样品制备流程:激光显微切割得到的FFPE组织被直接收集进96孔proteoCHIP,液滴悬挂在芯片柱上,在90 °C去交联和酶解过程中保持稳定。该流程约两小时产出可用于LC-MS的肽段,从50,000 µm²区域(约250个细胞)定量到超过5,500个蛋白组,从1,000 µm²区域(约5个细胞)仍能回收约2,500个蛋白组。

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微量FFPE样品为何在进样前损失蛋白

论文以福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)组织为起点,因为这种组织保留了形态,并配有临床注释;但维持组织结构的甲醛交联必须在通常高于90 °C的条件下逆转,酶才能消化蛋白。在微尺度区域中,反应体积很小,液滴可能在去交联完成前就蒸发。论文列出三个后果:组织可能物理丢失;消化失败、肽段回收下降;蒸发程度在样品间不一致,导致重复性受损。

作者也把现有替代方案描述为一种权衡,而非已经解决的问题。持续更换缓冲液和多步流程能获得覆盖深度,但依赖专用仪器,或需要加入SpeedVac干燥、反复去交联循环和长时间消化,这些都会降低通量。此前的悬滴设计减少了蒸发,却只能逐个处理样品。因此论文瞄准的缺口不只是灵敏度,而是灵敏度与并行处理多个激光显微切割(LMD)区域的能力兼得。

悬滴如何维持反应体积

该流程使用EVO96 proteoCHIP,这是一种96孔装置,其基于特氟龙的毛细管形成柱状结构。芯片倒扣在标准96孔板上加热时,液滴悬挂在这些柱上。液滴稳定性取决于表面张力与重力的平衡;由于封闭空间内的溶剂蒸气达到饱和,净蒸发被抑制到接近零。论文报告去交联和消化过程中体积损失很小,约为1 µL。

这一设计把化学过程与通量主张连接起来。每个柱在96孔格式中是一个独立反应腔,裂解、去交联和消化都在同一液滴中完成,无需在容器之间转移样品,而LMD流程通常正是在转移中损失材料。作者报告,从组织裂解到Evotips上可用于LC-MS的胰蛋白酶肽段,全程约需两小时,比参考方法减少约30%的制备时间,并且用标准设备即可并行处理最多192个样品。

缓冲液与温度决定蛋白组深度

论文优化了液滴内的化学条件,而不是沿用默认缓冲液。在20,000 µm²、5 µm厚的乳腺癌切片上比较碳酸氢铵(ABC)与三乙基碳酸氢铵(TEAB),最佳浓度25 mM的TEAB多鉴定出约12.5%的蛋白组和25%的肽段。作者推测TEAB挥发性较低,可能在小体积液滴长时间孵育中让局部离子条件更稳定;这是解释,不是实测机制。

加入去垢剂DDM总体上没有帮助。虽然0.02% DDM略微提高了膜蛋白和胞外蛋白的比例,但只用TEAB时总鉴定数始终更高,而且DDM浓度升高会持续减少蛋白组和肽段。作者将其归因于相互竞争的作用:DDM可以减少表面吸附并稳定膜蛋白,但它也改变液滴表面张力,可能在加热时破坏液滴稳定性。

酶与加热条件在同一批20,000 µm²、10 µm厚切片上调整。Trypsin/Lys-C浓度为5 ng/µL时鉴定数最高,继续提高浓度只让漏切率变化约1–3%。消化60分钟得到最高的平均蛋白组和修饰肽段数,去交联以40分钟最佳,90 °C比60 °C提高了回收率和重复间重复性。这些是在特定切片尺寸上的优化结果,并不保证适用于其他上样量。

覆盖深度随切割面积和细胞数变化

核心性能结果是一次滴定:切割面积从1,000 µm²到50,000 µm²、厚度10 µm,对应约5至250个细胞,用每天80个样品(SPD)的梯度分析。最高上样量时鉴定到约5,500个蛋白组和约50,000条修饰肽段;最低上样量时鉴定到约2,500个蛋白组和约13,000条修饰肽段,相当于最高上样量所见蛋白的42%。

重复性需要与这一下降一起理解。较小区域表现出更大的生物学异质性,重复性更低;但低上样样品仍共享约85%的鉴定蛋白组,定量谱的Pearson相关系数约为0.9。信号强度随上样量增加,并在超过约50个细胞后饱和。Gene Ontology富集显示,即使鉴定到的蛋白更少,核心功能过程仍保持一致,因此缩小区域主要损失深度,对整体生物学特征的损失较小。

在梯度速度与蛋白组深度之间取舍

论文区分了两种采集速度。80 SPD方法比120 SPD方法多鉴定约15%的蛋白组和约25%的肽段,两者共享约80%的鉴定蛋白组,覆盖的Gene Ontology生物学过程前几项相似。80 SPD运行还检测到更低强度的蛋白组,每个峰的数据点更多,为6个对4个。即便如此,120 SPD方法仍在最高强度三个分位内保留了PARP1、TOP2A、ERBB2、CDH1和COL1A1等关键乳腺癌蛋白。

与已发表流程的基准比较带有明确前提:取样组织不同,因此比较检验的是在相近上样量和梯度长度下的性能,而非相同样品。使用80 SPD梯度时,对8,000 µm²、5 µm样品,该方法比openDVP多鉴定27%的蛋白组和38%的肽段。与scDVP在相近单细胞等效体积2,000 µm³下比较,肽段鉴定多约46%,蛋白组数量相当;作者指出scDVP检出的低强度蛋白组略多,并将其归因于更长的40 SPD梯度和单一补偿电压的FAIMS采集。

乳腺癌组织在区域尺度上揭示什么

生物学验证使用10 µm厚三阴性乳腺癌FFPE切片的20,000 µm²癌区和基质区。该方法从癌区鉴定到约5,500个蛋白组和50,000条修饰序列,从基质区鉴定到约4,500个蛋白组和33,000条修饰序列,样品间重叠良好。跨亚型看,在HER2阳性和luminal-B样品中,ERBB2在癌细胞中比基质中更丰富;在luminal-A和luminal-B样品中,PR在癌细胞中更丰富;三阴性样品中未观察到差异调控的标志物。

作者还描述了区室特异的程序:肿瘤区富集RNA加工、增殖信号和经典癌症标志物,基质区富集细胞外基质重塑、免疫激活和纤维化修复,三阴性基质显示MYC通路激活。这些是论文对自身测量的解释。重要的范围限制也在这里:每个亚型仅由一名患者的样品代表,因此作者声明这些观察尚不能推广,可能部分反映患者间差异而非真正的亚型特异生物学。

亚细胞尺度的触达与边界

测试的最小区域是约60 µm²的细胞核富集区域,该流程从中鉴定到约1,800个蛋白组。作者将其描述为接近细胞器分辨率,并在无需高度专用仪器的情况下弥合单细胞蛋白质组学与组织水平空间分辨率之间的灵敏度差距。这一主张建立在细胞核富集的切割区域上,因此应理解为对富集结构进行亚细胞尺度取样,而不是对任意细胞器做常规分析。

实际优先级来自滴定结果,而非标题数字。如果问题需要某个组织区域的深度覆盖,50,000 µm²、约250个细胞这一端可提供超过5,500个蛋白组;如果问题需要并行处理许多小区域,该流程在1,000 µm²仍返回约2,500个蛋白组,在60 µm²核区返回约1,800个,代价是最小样品的重复性更低。80与120 SPD的选择是第二个杠杆:120 SPD在约一半分析时间内保留约80%的蛋白组和关键乳腺癌标志物,而80 SPD换来额外深度和更低强度的蛋白。

本文引用的文献

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High-throughput spatial proteomics from cellular to subcellular scales via a hanging droplet workflow

悬滴式96孔流程约两小时完成激光显微切割FFPE组织的LC-MS样品制备,从50,000 µm²(约250个细胞)定量超过5,500个蛋白组,从1,000 µm²(约5个细胞)得到约2,500个,从约60 µm²核区得到约1,800个蛋白组。