基于 Scanning SWATH® 采集技术的高通量蛋白质组学

Markus Ralser 教授

夏里特大学医学院，弗朗西斯·克里克研究所

Christoph Messner

分析化学家，弗朗西斯·克里克研究所

Vadim Demichev

计算科学家，弗朗西斯·克里克研究所

蛋白质组学在疾病机理阐述、快速诊断以及精准医疗领域都有巨大的挖掘潜力，但当前大部分的蛋白质组学方法均是面向小范围、低通量的科研型应用方法。面对这样的瓶颈，Markus Ralser 教授和他的同事正使用 SCIEX 近期发布的 Scanning SWATH 采集技术来解决这个问题。

Markus Ralser 教授是生物代谢组学领域的领军人之一，目前供职于两家研究所：德国柏林夏里特大学医学院生物化学研究所（主任），以及英国伦敦弗朗西斯·克里克研究所代谢分子生物学实验室。他的多学科团队主要研究重点是细胞稳态及其对外界刺激的应答机制，以期更好的阐述代谢通路的机制及寻找潜在的药物靶点。他们与 SCIEX 保持着长期的合作， 使用 SCIEX 质谱仪对大队列样品中的蛋白进行定量。Markus 教授解释道：“我们需要监测蛋白表达和测蛋白翻译后修饰的微小变化，但是在我们的研究中， 这需要我们定量非常大量级的样品，这种规模对于传统的蛋白质组学实验室来说往往难以应对。过去几年， 我们团队一直与 SCIEX 紧密合作，努力去寻找创新的方法，开发新的高通量蛋白分析策略。也正是通过与SCIEX 合作，我们才能够有幸最早接触到一系列让人激动的创新科技和应用方案。而最近的一项科技就是Scanning SWATH 采集模式，它已被证明是高通量蛋白质组学中非常适宜的一种方法。”

基于 TripleTOF™ 6600+ 系统的 Scanning SWATH 采集模式，是 SWATH 采集技术的新篇章。它能够采集到每个微小窗口内的二级质谱离子信息，并将其中的离子分别对应至正确的的母离子，最终得到一个简单、正确、且包含全部信息的数据集。Christoph Messner，弗朗西斯·克里克实验室的分析化学家，他解释道：“常规的 SWATH® 采集，是在整个质荷比范围内按照设定好的窗口，依次采集二级信息，每两个相邻窗口会有一个很小的重叠。这种采集模式非常优秀，能够提供高质量的质谱数据，但是窗口数量或采集时间往往受限。而 Scanning SWATH® 采集技术是利用四极杆的连续扫描功能，这就让我们能够在不损失选择性的前提下拥有更快的 cycle time（指完成所有规定扫描事件的时间总和）。使用这种方式，我们能够让窗口的大小下降到三至五个道尔顿，而 cycle time 则只有 0.5 秒钟。”

“Scanning SWATH 采集技术是将采集窗口设定与 cycle time 的关联中分离开来”，弗朗西斯·克里克实验室的计算科学家 Vadim Demichev 补充道。“这能够让我们设置非常小的 cycle time，以匹配高通量数据采集下的液相短梯度，比如五分钟左右的梯度；同时依然能够保持一个比较合适的窗口大小进行质谱采集。所以我们能够基于此去选择一个最合适我们实验设计和样品类型的质谱采集窗口大小，无论我们的样品是原代细胞，细胞系或者是血浆样品，这对于传统的 SWATH 采集模式而言几乎是不可能的。”

Vadim 继续补充道：“我们的高通量蛋白质组学平台本质上来讲包含三个部分。第一个部分是我们的高流速色谱系统，它能够在 800 μL/min 的流速下，实现化合物在 5 分钟梯度内的良好分离。第二个部分是由 SCIEX 开发的，基于 TripleTOF 6600+ 系统的 Scanning SWATH 技术，当然，在开发过程中， SCIEX 与我们也保持了良好的沟通与交流，持续对该方法进行优化。第三部分是数据的分析平台，是由我们的 DIA-NN (data-independent acquisition by neural networks），基于神经网络的数据非依赖型采集软件构成。依靠这个平台，我们使用 5 分钟的短梯度，就能够达到传统基于 SWATH 技术的方法在 50 分钟梯度下的数据质量水平，同时提高 10 倍的通量，让我们能够在一天内使用一台仪器就能够分析多达 200 个样品。”

Markus 表示：“现在通量的显著提高让我们能够比原来采集更多的数据，我们与英国医学研究理事会的流行病学小组的合作就是一个很好的例子。他们参与承担一个流行病学项目叫做‘Fenland Study’， 在十多年时间内连续追踪调查大约 12,000 人的健康情况。这是一个非常经典的流行病学研究，观察哪些人在这段时间内患上一些代谢性疾病，比如脂肪肝， II 型糖尿病，代谢综合症等。而我们在这个项目里的工作就是对被观测的每一个人的血浆进行系统的蛋白质组学研究，以期鉴定出与这些疾病有关联的蛋白质差异表达规律。基于质谱的高通量蛋白质组学策略对于这类研究非常的合适，为我们提供了一个更快速、经济、选择性更多的平台用来取代基因测序。”

Markus 总结道：“现在我们在弗朗西斯·克里克研究所的实验室有三台 TripleTOF™ 系统，我们正在使用这种高通量的流程来优化我们的实验体系，进一步提高我们技术的稳定性和稳健性。而在我们柏林夏里特大学医学院的实验室，我们会增加更多的仪器来对那边的体系进行补全。这个实验室现在被很好的用来进行从方法学到医学应用的转化，这正是我们认为它能够更好发挥潜能的地方。”

“Scanning SWATH® 采集技术是将采集窗口设定与 cycle time 的关联中分离开来…... 这能够让我们设置非常小的 cycle time, 以匹配高通量研究的数据采集需求。”