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2022年12月22日，著名期刊Cell在线发表了题目为Spatial proteomics in three-dimensional intact specimens 研究论文，通讯作者是来自德国组织工程和再生医学研究所Ali Ertürk教授和德国马普所Matthias Mann教授，Ali Ertürk教授课题组主要致力于开发3D成像技术，Matthias Mann教授是著名蛋白质组学专家。
在早期阶段，许多疾病在大多数未知的组织区域有适度的病理变化，使其难以识别和表征。例如，痴呆症的早期变化可能包括少数局部炎症细胞的激活，微血管系统的变化，以及在未特征的大脑区域仅出现少量初始淀粉样β斑块这种小的区域变化很难用标准的组织学来识别，这限制了我们研究疾病初始阶段以进行早期诊断和治疗的能力。组织透明技术的最新进展允许对完整的生物组织进行荧光成像，包括小鼠器官和全身以及完整的人体器官。在将组织呈现透明后，端到端的激光扫描显微镜显示了它们的细胞和亚细胞细节。利用人工智能(AI)引导的图像分析，即使是细胞结构中微小的变化，不会被遗漏，也可以轻松快速地识别出来。
所以说，组织的空间分子图谱对于研究生理或病理状态下的细胞功能至关重要。然而，目前缺乏对三维大型生物标本进行深入研究的分析技术。在这项工作中，作者将3D透明成像技术、基于AI辅助的图像分析、机械组织提取与超高灵敏度质谱分析相结合，开发了一种空间蛋白质组学技术，用于完整小鼠或人类器官的原位空间蛋白质组学分析。
首先，作者基于前期开发的整体组织器官成像技术DISCO (Three-Dimensional (3D) imaging of solvent-cleared organs, DISCO)，将纳米抗体的荧光染料结合高压循环灌注实现了小鼠全身的标记，为了进一步减弱组织对光信号衰减的效应，接下来对标本进行透明化的处理，从而实现整体组织器官的三维成像。基于整个标本3D成像结果的辅助，作者利用开发的高自动的机械臂实现对整个小鼠体内组织深处进行准确定位以及采样，并通过后续超高灵敏度质谱分析相结合来实现空间蛋白质组学分析。
图1：样本制备流程到质谱检测的大致过程
基于该技术，作者成功地分析了从整个小鼠或人类器官中分离出来的荧光标记的微小靶区，以发现各种疾病模型中空间蛋白质组学变化轮廓。其中，作者还将该技术用于对人类心脏主动脉斑块的空间蛋白质组异质性研究。首先作者获得多聚甲醛固定的人类心脏，使用人类器官透明化技术将整个心脏透明化，并对血管进行荧光标记，他们分别在斑块相关区域和无斑块区域提取了6个ROIs，发现在早期冠状动脉斑块形成过程中，心脏肌肉收缩、血液凝固等途径相关蛋白表达上调，具有区域特异性的。
图2：DISCO-bot可以在成像时从大型透明样本中进行非破坏性组织提取
最后，作者将DISCO-bot辅助的DISCO-MS方法应用至人冠状动脉疾病（coronary artery disease, CAD）中，作者获得了多聚甲醛固定的人类心脏，使用SHANEL人类器官透明化技术将整个心脏透明化。他们分别在大的斑块相关区域和小（无）斑块区域提取了6个ROIs，发现在早期冠状动脉斑块形成过程中，心脏肌肉收缩、血液凝固等途径相关蛋白表达上调，其中一些是区域特异性的，鉴定了MYH8等具有生物标志物潜能的蛋白，同时作者发现MACROH2A.1组蛋白的显著减少，而其在调节自噬和胆固醇外流中被研究得很少。 
综上，文章提出了一种全新技术DISCO-MS，它结合了全器官/全生物体透明成像，深度学习为基础的成像分析，机械组织提取和超高灵敏度质谱分析，绘制了小于100个细胞的透明化组织样本的蛋白组，且其在啮齿动物和人类组织中获得的蛋白质组数据与未进行组织透明化的样本难以区分。DISCO-MS能够对3D全样本成像后的临床前和临床组织进行无偏倚的蛋白质组学分析，从而为复杂疾病提供更多诊断和治疗机会。
全文链接：
Harsharan Singh Bhatia, et al. Spatial proteomics in three-dimensional intact specimens, Cell, Volume 185, Issue 26, 2022, Pages 5040-5058.e19
https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.11.021.
