大多數(shù)疾病最初是無癥狀的，受影響的人通常仍然感覺良好——癥狀還沒有出現(xiàn)，或仍然太輕而無法意識到。然而，身體內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生了變化：病毒可能已經(jīng)開始復(fù)制，或者一個流氓細(xì)胞可能分裂得比正常情況下更頻繁。但是如何才能發(fā)現(xiàn)這些變化呢？怎樣在一個組織或器官中找到一個患病細(xì)胞呢？搜尋工作就像大海撈針。研究人員在研究疾病的早期發(fā)展時也面臨著類似的困境。即使在使用動物模型時，科學(xué)家也很難確定疾病起始的小部位或描述驅(qū)動疾病進(jìn)展的確切分子變化。

復(fù)雜組織的空間分子譜對于研究生理和病理狀態(tài)下的細(xì)胞功能至關(guān)重要。現(xiàn)有針對組織切片的空間組表達(dá)譜分析已經(jīng)為疾病機(jī)制研究帶來了豐富的信息，然而，目前尚缺乏大型生物標(biāo)本三維成像的分子分析方法。

來自德國慕尼黑大學(xué)的Ali Ertürk團(tuán)隊(duì)和Max Planck生物化學(xué)研究所的Matthias Mann現(xiàn)在開發(fā)了一種名為DISCO-MS的新技術(shù)，結(jié)合了將小鼠或人類組織/全器官透明化成像、基于深度學(xué)習(xí)的圖像分析、機(jī)器人組織提取和超高靈敏度質(zhì)譜蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，能從疾病早期精確識別的“患病”細(xì)胞中獲取蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)，從而助力研究人員深入研究疾病起始的分子變化。

DISCO-MS:透明檢測早期分子變化

DISCO-MS首先進(jìn)行DISCO組織透明化，使小鼠身體或人體器官透明，使它們易于成像。因此，熒光標(biāo)記的細(xì)胞可以很容易地識別在完整的組織的特定部位使用高分辨率三維顯微鏡。

一旦確定了感興趣的區(qū)域，他們就會使用一種名為DISCO-bot的新型機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行分離，機(jī)器人輔助提取的組織使用先進(jìn)的質(zhì)譜(MS)方法進(jìn)行蛋白質(zhì)組分析，這種高科技方法允許在整個小鼠身體或人體器官中以3D方式識別任何所需組織區(qū)域的完整分子特征。

• DISCO-MS是一種光學(xué)透明的全樣本空間蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)
• DISCO-MS在人工智能和機(jī)器人技術(shù)的輔助下獲得了與新鮮樣本相似的蛋白質(zhì)組
• DISCO-bot輔助DISCO-MS揭示了小鼠骨骼中的空間免疫細(xì)胞異質(zhì)性，以及人類冠狀動脈斑塊的異質(zhì)性

早發(fā)現(xiàn)就能發(fā)現(xiàn)疾病

為了展示該方法的強(qiáng)大功能，第一作者Harsharan Singh Bhatia及其同事將DISCO-MS應(yīng)用于阿爾茨海默病(AD)小鼠模型和人類心臟中的動脈粥樣硬化斑塊(病理性硬化和血管狹窄)。在AD模型的組織樣本中，該團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用人工智能(AI)來識別疾病早期階段的典型AD斑塊，這是其他任何方法都難以檢測到的。隨后對斑塊的蛋白質(zhì)組學(xué)分析提供了對受AD影響的蛋白質(zhì)的無偏倚和大規(guī)模研究，揭示了可能是阿爾茨海默病生物標(biāo)志物的新分子。

在人類心臟中，研究人員對動脈粥樣硬化斑塊周圍組織的組成感興趣，這些組織在組織清理后很快就能看到。人工智能檢測和機(jī)器人對組織的提取再次允許識別與主動脈斑塊相關(guān)的人類心臟細(xì)胞中失調(diào)的分子通路。這些結(jié)果是關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈冃纬闪藵撛谥委煱悬c(diǎn)的基礎(chǔ)。

結(jié)論

DISCO-MS是第一個完整的3D空間組學(xué)技術(shù)，DISCO-MS在嚙齒動物和人類組織中獲得了用過往方法無法區(qū)分的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)。作者使用DISCO-MS研究腦損傷后沿軸索束的小膠質(zhì)細(xì)胞活化，并在阿爾茨海默病小鼠模型中描述早期和晚期個體β淀粉樣蛋白斑塊的特征。DISCO-bot機(jī)器人樣本提取使研究人員能夠研究完整小鼠體內(nèi)免疫細(xì)胞和完整人類心臟主動脈斑塊的區(qū)域異質(zhì)性。DISCO-MS能夠在對整個標(biāo)本進(jìn)行三維無偏倚成像后對臨床前和臨床組織進(jìn)行無偏倚蛋白質(zhì)組分析，確定復(fù)雜疾病的診斷和治療機(jī)會，可加速研究從癌癥到代謝紊亂等復(fù)雜疾病。由于DISCO-MS與臨床前組織和臨床組織合作，它能夠在疾病的早期階段進(jìn)行研究，并隨后開發(fā)潛在的新療法。

Journal Reference:

1. Harsharan Singh Bhatia, Andreas-David Brunner, Furkan Öztürk, Saketh Kapoor, Zhouyi Rong, Hongcheng Mai, Marvin Thielert, Mayar Ali, Rami Al-Maskari, Johannes Christian Paetzold, Florian Kofler, Mihail Ivilinov Todorov, Muge Molbay, Zeynep Ilgin Kolabas, Moritz Negwer, Luciano Hoeher, Hanno Steinke, Alina Dima, Basavdatta Gupta, Doris Kaltenecker, Özüm Sehnaz Caliskan, Daniel Brandt, Natalie Krahmer, Stephan Müller, Stefan Frieder Lichtenthaler, Farida Hellal, Ingo Bechmann, Bjoern Menze, Fabian Theis, Matthias Mann, Ali Ertürk. Spatial proteomics in three-dimensional intact specimens. Cell, 2022; 185 (26): 5040 DOI: 10.1016/j.cell.2022.11.021