摘要：空间蛋白质组学作为蛋白质组学研究的革命性技术，极大地推动和颠覆了精准医学的研究模式。近年来，伴随着空间蛋白组学技术的快速发展，在理解细胞功能、信号转导及疾病机制展现了令人振奋的潜在前景。仅2024年，空间蛋白质组学研究多次发表在CNS顶刊（Nature | M
精准医学与蛋白组学关注国内外蛋白组学、蛋白修饰组学应用领域的科研进展，普及蛋白组学在生命科学及基础医学研究中的应用，一起交流学习。如有侵权请联系后台删
空间蛋白质组学作为蛋白质组学研究的革命性技术，极大地推动和颠覆了精准医学的研究模式。近年来，伴随着空间蛋白组学技术的快速发展，在理解细胞功能、信号转导及疾病机制展现了令人振奋的潜在前景。仅2024年，空间蛋白质组学研究多次发表在CNS顶刊（Nature | Matthias Mann：空间蛋白组发现致命皮肤病新疗法、Nature | 功能蛋白质组学揭示胰腺癌细胞间信号网络）。2024年12月，空间蛋白质组学被国际权威期刊评选为2024年度技术。
近日，国际顶刊再度发表了题为“”的空间蛋白质组学重磅成果。中国科学院动物研究所的赵方庆和冀培丰团队合作结合微流体+人工智能机器学习+微量质谱技术，开发一种全新的空间蛋白质组学技术（PLATO），可实现对整个组织切片中的数千种蛋白质进行高分辨率映射成像。研究运用空间蛋白质组学技术识别出人类癌症中不同的肿瘤亚型和关键的失调蛋白，为挖掘肿瘤微环境的复杂空间机制提供了新的工具。
1、PLATO空间蛋白组技术原理
PLATO空间蛋白组技术基于三张连续切片展开空间蛋白质的全景分析：中间切片用于通过组织学染色或空间组学生成参考组学数据（如H&E染色、空间转录组学或空间代谢组学），而第一个和第三个切片以不同角度进行基于微流体+质谱的蛋白质组学分析。每个切片被平行微通道（48或70孔）覆盖，在芯片上被酶解后并用于后续肽收集和质谱分析。此外，研究开发了Flow2Spatial，其通过参考中间切片的组学数据训练深度学习模型，用来重建全组织维度的蛋白质空间分布。
2、Flow2Spatial重构小鼠小脑的空间蛋白质组学定位
为了验证Flow2Spatial的性能，研究针对小鼠小脑组织，通过Flow2Spatial整合PLATO生成的数据，以及对应中间切片的空间转录组数据，生成小脑的空间蛋白质图谱信息。并进一步与同区域基于LCM（激光显微切割）的空间蛋白质组学和IF染色结果进行对比。
研究结果表明，PLATO定量结果能够区别小鼠不同跨脑区域，不同区域的斯皮尔曼相关性强（分子层（0.89）、颗粒层（0.87）、纤维束（0.82）和侧隐窝（0.74）），并与同区域LCM切割构建的空间蛋白质信息的斯皮尔曼系数密切匹配。此外，免疫荧光染色结果也可与Flow2Spatial重建景观紧密对齐。综上，研究证实了Flow2Spatial能够高精度可靠的映射蛋白质的空间位置。
3、小肠绒毛蛋白质组空间定位研究
在确定了PLATO构建空间蛋白景观的位置准确性后，研究进一步证实了PLATO在空间异质性分析中的重要应用价值。研究使用具有70个25 μm宽平行通道的微流体芯片对成年大鼠的小肠绒毛组织进行空间蛋白质组学分析，共鉴定了1986个蛋白质组，并运用Flow2Spatial构建了组织维度的蛋白质组景观。蛋白质组成在组织学上可辨别为上皮细胞、固有层和肌层。值得注意的是，一些转运蛋白呈现出较大的空间特异性：如离子，碳水化合物和肽相关的转运蛋白在外上皮层中表现出更大的富集，而与蛋白质和碳水化合物衍生物相关的转运蛋白在所有三个上皮层中均被预先表达。
接下来研究利用PLATO空间蛋白组技术，揭示炎症期间大肠的时间蛋白质组学动力学。在葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的结肠炎模型中，DSS刺激导致持续体重减轻以及腹泻、直肠出血、上皮损伤、结肠和肠长度缩短。蛋白质组层面上，上皮层含有数量最多的显著差异蛋白，并且其中大多数在炎症期间显著下调。DSS诱导后转运蛋白的空间分布发生改变。总之，以上结果表明，PLATO可高效捕捉结肠炎导致的空间蛋白质组学的变化。
4、基于PLATO的人类乳腺癌空间蛋白质组学研究
PLATO空间蛋白质组技术也体现出在临床研究中的重要应用价值。研究收集了77岁女性患者的新鲜冷冻乳腺癌样本，进行了空间蛋白质组分析。研究使用具有70个平行通道的微流体芯片，从两个角度鉴定了每个通道约4000个蛋白质组。其聚类分析所揭示的三个空间聚类（两个肿瘤区域和一个相邻区域）与病理学家注释能够很好地对齐。
同时，肿瘤区块的PLATO方法分析结果与LCM蛋白质组方法分析结果吻合（斯皮尔曼相关性：肿瘤1：0.82，肿瘤2：0.85，相邻：0.81）。
此外，研究人员基于PLATO结果检查了乳腺癌分类标志物的空间分布，鉴定到两种肿瘤亚型：肿瘤1（HER 2+，ER，PR）和肿瘤2（HER 2+、ER+、PR）。研究进一步分析了亚型之间的差异表达蛋白，揭示肿瘤微环境的异质性：肿瘤1富含细胞外基质蛋白，如纤蛋白-5、细丝蛋白-A、纤连蛋白、弹性蛋白和ladinin-1，表明肿瘤表型更具侵袭性。相反，肿瘤2富含激素信号相关蛋白，如雌激素受体1和粘蛋白1，突出了其独特的生物学和与雌激素信号传导的关系。总的来说，PLATO空间蛋白质组分析有效地识别了空间上不同的肿瘤亚型，突出了关键的失调蛋白，并提供了对肿瘤微环境复杂性的见解。
综上所述，该研究开发的PLATO以人工智能算法、微量蛋白质组学技术和微流控的深度融合，实现了空间组学技术的重要突破，成功生成空间层面微观可视化的蛋白质图谱，在疾病机制解析、肿瘤微环境探索方面展现出巨大的应用前景。随着PLATO等空间蛋白质组学技术的发展与成熟，空间蛋白质组学已成为推动生命科学研究的核心工具，或将在疾病诊断、精准医学和生命科学等领域发挥重要作用。
近年来，一系列研究全方位展现了空间蛋白质组学的发展脉络及其令人振奋的潜在前景。
作为国内推广空间蛋白组学最早的公司，景杰生物基于高精密仪器，提供“一站式”空间蛋白组学全流程服务，可实现高精度、高深度、高重复性的空间蛋白组分析，助力了多项高水平空间蛋白组学成果发表，如：
首篇宫颈鳞癌整合空间组学分析系统性地表征了宫颈鳞状细胞癌的肿瘤异质性，揭示了特定的肿瘤细胞状态与肿瘤免疫微环境的双向互作及机制（点击链接详细阅读：Nat Genet｜首篇宫颈鳞癌整合空间组学分析揭示肿瘤免疫微环境景观）；
对BK多瘤病毒的空间蛋白质组学数据进行解析，揭示了BK多瘤病毒整合的意义和致癌性，并可视化了BK多瘤病毒肾组织中的整合位点（点击链接详细阅读：Am J Transplant | 空间蛋白组学揭示BK多瘤病毒相关疾病发生机制）。
景杰生物已于2024年初全球首发全息空间蛋白质组学：基于景杰创新性10X Proteomics平台，在LCM切割联合LC-MS/MS检测的基础上，通过对组织微环境进行全面高精度的LCM切割以覆盖微环境中所有的区域，此后分别进行LC-MS/MS检测，从而实现对于组织微环境全息检测。最终可得到带有空间位置信息的100份蛋白质组学数据，每份数据对应精细组织，无间隔地构成了“全息”的空间蛋白质组学数据集。欢迎各位老师前来咨询！
来源：景杰生物