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独辟蹊径 —— 看大咖如何利用IMC从全新视角揭示肿瘤肿瘤生物学的奥秘

Fluidigm公司新推出的创新技术产品Hyperion组织质谱成像系统致力于推进转化研究的发展,以期更加深入全面地理解复杂的细胞间相互作用和组织微环境。该系统作为第一个商业化的平台,可以在组织层面同时对多达37种蛋白质标记物进行亚细胞水平的解析。来自苏黎世大学(UZH)定量生物学中心的助理教授Bernd Bodenmiller博士作为开发该技术的领军者,在长期的研发和应用过程中积累了大量的Hyperion组织质谱成像系统的使用经验,我们很高兴在此可以与您一起分享。

 

 

GiesenWang等人在2014年《Nature Methods》杂志上发表的文章首次报道了他们在Bodenmiller博士实验室内开发的一种方法 —— 在亚细胞水平同时对32个蛋白标记物以及蛋白修饰进行成像分析。文章详细描述了一种利用成像质谱流式(IMCimaging mass cytometry)技术的检测新方法,他们相信通过改进对组织特性的研究可以大大提高对癌症和其他疾病状态的认知。IMC为肿瘤免疫学研究者带来了前所未有的颠覆性技术,并且有可能进一步扩展到包括自身免疫性疾病、神经科学、精准医疗和其他疾病研究等诸多领域。

 

瑞士最大城市苏黎世Bodenmiller博士在他位于苏黎世湖北端的系统生物医学实验室里,将目光锁定在了对肿瘤生态系统的研究上。通过分析实体瘤中存在的不同细胞类型,更好地了解处于生态系统中的各种细胞水平因素是如何通过细胞间通讯相互影响从而促进肿瘤发展的。Bodenmiller从多维度水平对肿瘤细胞网络进行建模,从精准医学的视角关注、研究肿瘤生物学,希望能在未来找到治疗癌症的有效方法。他的研究包括开发实验类和生物信息学的新方法,从而可以在组织空间分布层面进行超高参数的亚细胞水平分析。

 

IMC的工作流程将免疫组化方法与经过充分验证的CyTOF(质谱流式)技术完善融合,可以生成细胞标志物、转录产物以及转导信号等多种因子的组织结构图像。该研究小组已经发表了一篇论文,阐述了如何在亚细胞水平同时对乳腺癌组织的32个蛋白质标志物成像,在对蛋白和转录本同时成像的基础上,为癌症生物学方面的研究提供了更广泛的可能性。

 

利用Hyperion组织质谱成像系统生成的图像可以揭示细胞对氧气水平的反应、免疫细胞衰竭的诱导因子以及肿瘤环境中那些与临床特征有关的条件因素。在转化研究快速发展的背景下,苏黎世大学正在开展和临床治疗以及全球健康举措相关的项目研究。Hyperion系统则使科学家能够在该项研究中获得更加全面的信息,以解决在研究中遇到的问题。

 

剖析肿瘤生态系统

目前Bodenmiller实验室中所有的研究项目都是基于CYTOF质谱流式技术的,在此基础上其中约有三分之二的项目更是依赖于IMC技术。“Hyperion系统对我们实验室的研究工作不可或缺,”他说。在肿瘤的生态系统中,揭示细胞类型的特性和单个细胞的功能状态是非常有意义的;另外,了解这些细胞的空间分布和定位信息也很重要。这对帮助我们研究细胞环境是如何影响细胞表型的形成以及治疗反应过程至关重要。

 

IMC技术还可以为肿瘤内部免疫细胞谱系的状态提供转化研究数据。Bodenmiller期望借助对肿瘤生态系统的定向调控最终使研究人员能够干扰和阻断肿瘤的生长。他解释说:“免疫检查点阻断疗法是针对肿瘤生态系统中靶向相互作用的一个很好的例子,因为细胞间的相互作用和调节机制实际上是负责控制了免疫反应的抑制和重新激活。”

 

相比酶免疫组织化学方法使用酶进行组织染色、免疫荧光显微镜使用荧光基团作为抗体报告分子,IMC技术则使用金属同位素作为报告分子,Bodenmiller指出,“IMC的特殊之处在于它使我们能够进行多参数检测。”当在Hyperion系统上检测同位素时,成熟稳定的CyTOF技术可为其提供135个检测通道,确保在单张组织样本上可一次性检测多种金属标记的抗体。

 

为病理学研究提供前所未有的可能性

IMC技术可以使包括医学、人类健康和生命科学等诸多领域受益。Bodenmiller根据其在转化和潜在临床应用研究中的成果指出,在瑞士和一些拥有集中的政府医疗和健康机构的国家,在这些中心机构中存有大量匿名临床样本以及病人的长期数据和组织样本。以苏黎世为例,在研究机构和国家伦理委员会的管理下,科学家可以利用50万个组织样本进行更多的研究。

 

“在世界各地的医院样本库里保存有数以百万计的肿瘤样本,有很多配有详细的疾病、患者特征信息和治疗的数据,其中蕴藏着大量关于疾病治疗的答案。”他补充说,“从组织样本中获取的信息量是前所未有的。如果我们使用IMC技术进行人群队列分析,并应用计算工具和机器学习来优化患者类群,我们就可以了解到在未来可向已有临床技术转化的标志物的相互关系。其潜力是巨大的。”

 

聚焦精准医疗

Bodenmiller博士发现,关于肿瘤生物学的知识将来可以被用来造福病患。“IMC技术在评估免疫检查点抑制剂的状态、细胞信号通路失调,确定精准医疗最佳治疗方案等领域存在着巨大潜力。”利用IMC技术,我们获得了前所未有的组织生物学的详细信息,并且可以确定T细胞的状态,以及它们表达哪些标志物,从而帮助我们了解如何在肿瘤生态系统中对它们进行调节。我们对肿瘤组织的全面分析——从单细胞通路到细胞间相互作用再到组织形态——将揭示在肿瘤生态系统中哪些是我们应该关注的目标。

 

后续Bodenmiller博士希望可以在Hyperion系统上开发新的应用程序,用来优化临床工作流程。对组织生物学的全面了解将有利于开发新的治疗方法,并针对不同患者真正做到对症下药。在他看来这种精准医疗研究近在眉睫。他通过分析一个具有高度激活信号通路的黑色素瘤样本,阐述了利用适当的抑制剂来调节这些通路的可能性。

 

histoCAT分析方法

20179月,Bodenmiller实验室的Denis Schapiro, Hartland Jackson和苏黎世大学的研究小组一起在《Nature Methods》上发表了一篇关于histoCAT(histology topography cytometry analysis toolbox)数据分析工具的文章。该文章阐述了如何利用IMC数据分析细胞表型和相邻细胞的空间关系。Fluidigm公司最近宣布与苏黎世大学签署了合作协议,今后将提供histoCAT软件用于多参数组织数据分析。

 

Bodenmiller博士希望继续利用histoCAT分析软件发表更多的文章,“我们会在文章中阐明如何将IMC检测结果与临床数据联系起来,并进一步说明如何将histoCAT扩展到肿瘤三维空间分析的应用中”。从展示二维组织形式到重建三维肿瘤结构,将有助于更全面地理解细胞间的相互作用。

 

成功与挑战

在肿瘤免疫学研究中还有许多棘手问题。利用IMC技术可以在更短的时间内回答更多的问题,进而实现改善人类健康的共同目标,但是发展这项卓越的技术需要那些坚定而专注的研究人员齐心协力致力于这一共同目标。与其他大数据一样,由数据驱动的医学研究能分析大量的医疗记录和图像,这种模式可以揭示前期尚未发现的隐含相互关系,从而为研究人员的决策提供早期认知和信息。Bodenmiller博士总结道:组织样本就在那里,答案也在那里。

 

Bodenmiller博士进一步重申了IMC技术和相应Hyperion系统的巨大价值和在人类健康和疾病研究中的无限潜力。“我的实验室是Cancer Research UK (CRUK) Grand Challenge项目的一部分。IMC技术因其在全面、深入检测肿瘤生态系统方面的重要作用而成为整个项目的主要支柱方法之一,”他说,“这是一个巨大的挑战,因为这项研究的目标是在分子和细胞层面绘制出大量全面的肿瘤3D图谱。来自美国、英国和瑞士的约10个实验室参与了该项目,我们正试图建立整个研究路径和数据分析系统来实现这一目标。”