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臨床蛋白組綜述 | 如何利用蛋白組學(xué)技術(shù)進(jìn)行癌癥臨床研究?

 尐尐呅 2022-06-09 發(fā)布于湖北

腫瘤基因組和轉(zhuǎn)錄組的分析現(xiàn)在已經(jīng)成為發(fā)現(xiàn)新生物標(biāo)記物的工具,但是蛋白質(zhì)組表達(dá)的改變更可能反映腫瘤病理生理學(xué)的變化。過(guò)去,臨床診斷依賴于基于抗體的檢測(cè)策略,但這些方法有一定的局限性。質(zhì)譜(MS)是一種強(qiáng)有力的方法,使人們?cè)絹?lái)越全面地了解蛋白質(zhì)組的變化,從而推動(dòng)個(gè)性化藥物的發(fā)展。

來(lái)自加拿大多倫多大學(xué)健康網(wǎng)絡(luò)瑪格麗特公主癌癥中心的研究人員在《Clinical Proteomics》雜志發(fā)表了基于MS的臨床蛋白質(zhì)組學(xué)研究進(jìn)展,特別關(guān)注了癌癥研究。研究人員詳細(xì)概述了臨床樣本類型、樣品制備技術(shù)、質(zhì)譜配置、蛋白定量策略以及癌癥組織/體液蛋白組學(xué)的研究進(jìn)展。

臨床蛋白組學(xué)方法概述

研究人員對(duì)臨床樣本類型、蛋白純化方法、質(zhì)譜配置、蛋白定量策略等方面進(jìn)行了詳細(xì)描述。

臨床癌癥蛋白組學(xué)研究策略概述

臨床樣本類型:1)對(duì)臨床組織的直接蛋白質(zhì)組學(xué)研究越來(lái)越普遍,保存組織樣本的方法一般有新鮮冷凍(FF),福爾馬林固定石蠟包埋(FFPE)和最佳切割溫度嵌入等。從蛋白質(zhì)組覆蓋率的角度來(lái)看,F(xiàn)F是首選的保存方法,但FFPE組織已經(jīng)儲(chǔ)存了幾十年,為臨床蛋白質(zhì)組學(xué)提供了廣泛的臨床隨訪和寶貴的資源。組織樣本可以通過(guò)激光捕獲顯微切割(LCM)進(jìn)一步制備,以增加空間分辨率元素。2)非侵入性或微創(chuàng)方式(即液體活檢)獲得的臨床樣本是研究新生物標(biāo)志物的理想樣本。最常被分析的生物體液是血液(血漿、血清)和尿液,其他體液包括前列腺分泌物、唾液、眼淚、腦脊液(CSF)和腹水等。

臨床樣本制備蛋白質(zhì)組學(xué)樣本制備尚無(wú)統(tǒng)一的方案,但應(yīng)根據(jù)蛋白質(zhì)組的復(fù)雜程度、樣品的可利用量和研究目標(biāo)對(duì)所選擇的策略進(jìn)行優(yōu)化/選擇。MS樣品制備的第一步包括從臨床樣品中分離和提取蛋白質(zhì)。這包括提取試劑,如不同的有機(jī)溶劑和洗滌劑,然后是組織破壞技術(shù),如凍融循環(huán)、超聲或機(jī)械破壞,以最大限度地提高蛋白質(zhì)提取和溶解。最近開(kāi)發(fā)了不同的蛋白質(zhì)純化技術(shù),如FASP, MStern,S?trap,SP3,iST等,減少了蛋白質(zhì)消化時(shí)間要求,并將樣品損失降至最低,提升整體操作效率。

質(zhì)譜配置及掃描模型:ESI依賴于成熟的反相納米LC技術(shù)或與毛細(xì)管電泳相結(jié)合,對(duì)基于發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)更為實(shí)用。正交肽分離技術(shù)在臨床蛋白質(zhì)組學(xué)研究中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。為了提高蛋白質(zhì)組的覆蓋率,可以通過(guò)堿性反相液相色譜或強(qiáng)陽(yáng)離子交換色譜分離肽池。

大多數(shù)基于發(fā)現(xiàn)的臨床蛋白質(zhì)組學(xué)研究仍然使用基于數(shù)據(jù)依賴采集模式(DDA)識(shí)別潛在的生物標(biāo)志物或獲得生物學(xué)見(jiàn)解,目前臨床蛋白質(zhì)組學(xué)領(lǐng)域正在向數(shù)據(jù)非依賴采集(DIA)轉(zhuǎn)變。

蛋白定量策略:一般來(lái)說(shuō),相對(duì)定量策略用于基于發(fā)現(xiàn)的臨床蛋白質(zhì)組學(xué)。相對(duì)定量通常依賴于穩(wěn)定同位素標(biāo)記的使用,從而產(chǎn)生共價(jià)衍生肽,如SILAC,比較新的策略有TMT和iTRAQ。目標(biāo)蛋白被鑒定出來(lái)后就需要進(jìn)一步驗(yàn)證,雖然基于抗體的技術(shù)(如ELISA)履行了這一職責(zé),但基于MS的靶向檢測(cè)非常適合于驗(yàn)證,尤其是在沒(méi)有合適的抗體可用的情況下,最常用的方法是多重反應(yīng)監(jiān)測(cè)(MRM)質(zhì)譜,新技術(shù)有平行反應(yīng)監(jiān)測(cè)(PRM)質(zhì)譜。

臨床蛋白組學(xué)在癌癥研究中的應(yīng)用

組織樣本

“發(fā)現(xiàn)類”基礎(chǔ)研究:使患者腫瘤組織的常規(guī)蛋白質(zhì)組學(xué)分析已成為發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)記物、生物途徑以及與現(xiàn)有基因組/轉(zhuǎn)錄組整合研究的重要手段。基于組織的蛋白質(zhì)組學(xué)策略已被應(yīng)用于許多癌癥類型的研究,包括前列腺癌、乳腺癌、黑色素瘤、肺癌、卵巢癌和口咽癌。一般研究思路為將癌組織樣本與來(lái)自同一患者的“健康”相鄰對(duì)照組進(jìn)行比較,以尋找潛在的診斷生物標(biāo)志物。同時(shí),比較不同階段癌癥患者的預(yù)后信息。一旦確定了少量的候選蛋白質(zhì),通路分析就可以深入了解這些蛋白質(zhì)是如何與腫瘤發(fā)生、增殖、轉(zhuǎn)移和其他癌癥驅(qū)動(dòng)過(guò)程相關(guān)的。隨后通常采用基于抗體的技術(shù),在較大的獨(dú)立隊(duì)列中補(bǔ)充/驗(yàn)證差異表達(dá)結(jié)果。

以組織為中心的蛋白質(zhì)組學(xué)研究總結(jié)

靶標(biāo)/多位點(diǎn)驗(yàn)證迄今為止,組織蛋白質(zhì)組學(xué)研究主要集中在基于發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)研究上,這些研究揭示了很多潛在的癌癥標(biāo)志物。后續(xù)需要朝腫瘤常規(guī)分析的方向,開(kāi)發(fā)有針對(duì)性的MS檢測(cè)方法,比如組織裂解物的PRM,將成為更主流的方向。

關(guān)注蛋白組學(xué)中的空間分辨率:量化組織蛋白質(zhì)組變化時(shí)需要考慮的一個(gè)因素是腫瘤的異質(zhì)性。研究人員正在努力區(qū)分源于疾病進(jìn)展的蛋白質(zhì)表達(dá)的變化,以及那些源于組織異質(zhì)性和次生生物學(xué)途徑的變化,激光捕獲顯微切割(LCM)的發(fā)展為分離腫瘤橫截面的特定區(qū)域提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具。質(zhì)譜成像(MSI)技術(shù)也提供了空間信息并顯示了其在臨床上的潛力。此外,腫瘤的異質(zhì)性使得蛋白質(zhì)組學(xué)需要單細(xì)胞分辨率,一種基于MS通過(guò)將抗體探針耦合到獨(dú)特的穩(wěn)定重金屬同位素的“質(zhì)量細(xì)胞術(shù)”,允許在單個(gè)細(xì)胞中監(jiān)測(cè)幾十種蛋白質(zhì)標(biāo)記物。

多組學(xué)分析:雖然許多癌癥的基因組和轉(zhuǎn)錄組已經(jīng)被很好地闡明,但是癌癥蛋白質(zhì)組及其與上游基因組改變的關(guān)系卻鮮有文獻(xiàn)記載。近年來(lái),越來(lái)越多的研究開(kāi)始整合各級(jí)組學(xué)數(shù)據(jù)來(lái)描述腫瘤的綜合多組分評(píng)估。未來(lái),蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)集與基因組水平數(shù)據(jù)的整合將在未來(lái)腫瘤學(xué)和個(gè)性化醫(yī)學(xué)研究中變得越來(lái)越普遍。

對(duì)臨床蛋白基因組學(xué)研究進(jìn)行總結(jié)

體液樣本

對(duì)尿液和血液相關(guān)的臨床蛋白質(zhì)組學(xué)研究進(jìn)行總結(jié)

在臨床實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)中,血液是最廣泛用于疾病診斷、預(yù)后和治療結(jié)果的體液。2002年啟動(dòng)的人血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃(HPPP)旨在通過(guò)MS生成一個(gè)人類血漿和血清蛋白質(zhì)組的開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)。

尿液是另一種常見(jiàn)的采樣人體體液,因?yàn)樗a(chǎn)生量大,可以很容易地以非侵入性的方式收集。70%的尿蛋白來(lái)自腎臟和尿道,這是一個(gè)很有價(jià)值的尿路監(jiān)測(cè)資源;剩下的30%的尿蛋白來(lái)自腎小球?qū)ρ旱倪^(guò)濾,這表明尿液也可以幫助我們了解遠(yuǎn)處器官的癌癥。同時(shí),尿液是前列腺癌生物標(biāo)志物的重要來(lái)源。

除了血液和尿液外,還有多種可供選擇的人體體液有可能被用來(lái)發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物,例如腦脊液作為一種有價(jià)值的生物標(biāo)志物來(lái)源不能被忽視,因?yàn)樗罱蛔C明含有超過(guò)3300個(gè)總蛋白,并在大腦特異性蛋白質(zhì)中富集。后續(xù)這些替代體液蛋白質(zhì)組將被進(jìn)一步詳細(xì)描述,作為尋找強(qiáng)有力的非侵襲性癌癥生物標(biāo)志物的一部分。

總結(jié)

由于標(biāo)準(zhǔn)化、高通量的樣品制備技術(shù),臨床蛋白質(zhì)組學(xué)領(lǐng)域可能會(huì)在臨床隊(duì)列規(guī)模上迅速擴(kuò)大。這將最大限度地減少因統(tǒng)計(jì)不足而導(dǎo)致的研究頻率,并提高將候選生物標(biāo)志物和藥物靶標(biāo)轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用的效率。蛋白質(zhì)組學(xué)將越來(lái)越成為癌癥系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分,它整合了基因組學(xué)、表觀基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和PTMs的多組學(xué)數(shù)據(jù)。這將要求更高的計(jì)算能力來(lái)處理和分析日益龐大的數(shù)據(jù)。質(zhì)譜儀靈敏度和速度的進(jìn)一步提升將使蛋白質(zhì)組的深度覆蓋更加有規(guī)律,尤其是不需要進(jìn)行大量的預(yù)分離。檢測(cè)/定量水平的提高也將使臨床蛋白質(zhì)組學(xué)向最小輸入樣本量和單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)方向發(fā)展。最后,數(shù)據(jù)分析流程優(yōu)化將提供更多的診斷和預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性相對(duì)于單一的標(biāo)志物。這些進(jìn)展都是基于MS的臨床蛋白質(zhì)組學(xué)所必需的,以充分發(fā)揮其將研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為臨床實(shí)踐改進(jìn)的潛力。

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參考文獻(xiàn)

Macklin A, Khan S, Kislinger T. Recent advances in mass spectrometry based clinical proteomics: applications to cancer research[J]. Clinical Proteomics, 2020, 17: 1-25.

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