MALDI质谱成像助力肿瘤临床研究

2023-01-31 17:41:36, 质谱成像先锋队 布鲁克(北京)科技有限公司-质谱仪器


背景介绍



肠癌是胃肠道中常见的恶性肿瘤,发病率仅次于胃和食管癌。目前临床上对肠癌的诊断和分型主要依赖基于形态学检查的H&E染色、免疫组化等常规病理检验技术,同时近年来NGS(下一代测序技术)等分子病理手段也广泛应用于肿瘤的研究,这些方法不仅需要使用不同类型的仪器,耗时长,前处理复杂,且在诊断中如H&E染色等十分依赖医生的个人经验和判断,缺乏指标化标准。

MALDI质谱成像是一种无标记的成像方法,可直接获得组织切片中多重的分子信息,为肿瘤分子分型诊断和确认以及相关抗肿瘤药物的筛选提供了新的思路和研究方向。

本文基于布鲁克timsTOF fleX空间组学质谱仪,由布鲁克与北京肿瘤医院展开合作,详细展示如何将MALDI质谱成像技术应用于肿瘤的临床研究。

目标微区(ROI)的确认

在本次实验中,将肠癌患者的肿瘤组织制备成厚度12µm的连续冷冻切片,其中一部分由布鲁克在其timsTOF fleX成像质谱仪上进行MALDI成像分析,另一部分由北京肿瘤医院病理科进行H&E染色,并对染色结果进行评估。QuPath是一款用于病理学和生物图像分析的开源软件,图1a为病理技术人员根据卷肠H&E染色结果对肿瘤区域的注释结果。同时,基于布鲁克开发的“QuPath to SCiLS™ Lab”插件,可将肿瘤区域的注释结果直接导入到布鲁克的质谱成像数据处理的软件SCiLS™ Lab。图1b是H&E染色导入SCiLS Lab中的光学图片,其中红色区域为病理标注的肿瘤区域,也是后续MALDI成像中重点关注的ROI。

图1:a.病理学家对卷肠H&E染色结果中肿瘤部分的注释; b.病理注释结果导入SCiLS™ Lab以及ROI的选择。

癌组织和癌旁组织的分子差异

使用timsTOF fleX质谱仪对肠癌切片进行了质谱成像数据采集后,采用SCiLS™ Lab软件进行数据处理。根据病理注释结果,我们对肿瘤实体区域和癌旁区域的分子差异进行了分析比较,基于SCiLS™ Lab中的共定位分析功能,找到了在肿瘤区域有高表达的分子,图3所示为软件经过计算给出的在肿瘤区域有高表达的排名靠前的十一个分子(从上到下从左到右依次排列),右上角为按照位置顺序相对应的质荷比信息,如m/z 155.0071的质谱成像图(第一排第二行)可以清晰地观察到其在肿瘤实体区域和癌旁组织中呈现不同的分布,该分子在肿瘤实体区域高表达,而在癌旁组织中低表达, 这些分子可以作为潜在的生物标志物,进一步用于肠癌的早期辅助诊断。

图2:肿瘤区域的高表达分子及其离子热图

非靶向分析揭示肠癌组织精细结构

基于SCiLS™ Lab中的统计学功能,对肠癌切片的MALDI成像数据进行空间聚类分析(Segmentation),空间聚类分析是一种无监督式的统计分析,它不需要用户提供任何先验信息,根据分子组成的相似性(分子表型)来对区域做划分,因此可以将组织形态学的注释结果和MALDI成像的分子表型分区结果进行重叠对比,把组织的表观形态特征和分子特征联系起来综合分析,从而对数据做出更加合理的解释,加深对病理组织的认识。图3所示为肠癌切片的空间聚类结果,同一颜色组成的区域具有相似的分子组成,而不同颜色的区域具有明显的分子差异,通过与H&E染色结果对比,红色区域的分布与肿瘤区域具有高度相似性。另一方面,我们也对整体成像数据进行了非监督的主成分分析(PCA),如图4所示,蓝色数据表示整个肠癌组织,粉色数据表示QuPath病理注释的肿瘤区域,红色表示空间聚类结果中的红色区域,可以清晰地看到病理注释的肿瘤区域与空间聚类的红色区域数据点相互重叠。因此基于MALDI成像的分子表型分区结果可以指导肿瘤的分区与分型,从而对肿瘤的分子层面获得更深入的认识。

图3:MALDI成像分子表型分区结果以及树状图(右)与H&E染色结果的对比(左)

图4:肠癌切片的主成分分析图

分子信息标注

在肿瘤的研究中,寻找用于早期诊断、指导治疗、评估疗效和预后的高敏感度和特异性的肿瘤标志物是攻克恶性肿瘤、解决临床诊治难题的关键,因此在得到具有显著表达差异的分子后我们亟待解决的问题就是差异分子的鉴定。在布鲁克空间组学解决方案中,可以直接将MALDI成像数据导入布鲁克代谢组学软件MetaboScape®中进行分子信息标注。表1为肠癌切片在MALDI成像后用MetaboScape®得到的部分分子注释结果,软件给出了质荷比、离子类型、名称、分子式、质量偏差、数据库等参数,对肠癌切片中的脂质和代谢小分子进行分子信息标注。图6所示为鉴定出的脂质和代谢小分子的离子热图;另一方面timsTOF fleX成像质谱仪中具有灵活的MS/MS模式,可以直接对组织进行原位MS/MS实验,进一步提高鉴定可信度。

表1:MetaboScape®软件对MALDI成像的分子注释

图5:MetaboScape®标注的脂质和代谢小分子的离子热图

小结

基于布鲁克timsTOF fleX空间组学质谱平台,布鲁克北京演示实验室与北京肿瘤医院合作,在目前传统临床检验手段基础上,展示了探索肿瘤标志物的新方法。MALDI质谱成像技术为肿瘤等重大疾病在分子水平上进行病理分型研究提供了准确的物质定位、定性和定量信息,未来有望为临床病理研究和应用等多个领域提供更多、更可靠、更有价值的信息。



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