质谱流式介绍及其技术应用实例

　　科研人员经常面临一个困境，如何同时达到如下目标：(1)在广泛的网络中获取特定细胞行为尽可能多的信息；(2)采取高针对性的方法，对有限数量的细胞特征进行分析，获得更高的分辨率。目前的流式细胞分析技术和质谱分析技术单独都很难达到以上目标。

　　如果你有同样的困惑，那先恭喜你，看完下面内容，从此不再纠结。

　　◆◆质谱流式档案◆◆

　　学名： 质谱流式

　　洋名：Mass Cytometry

　　昵称：CyTOF

　　自述：相对于其他研究细胞的技术，我算是比较「young」的了，也许你不认识我，但是我爹「质谱技术」、我娘「流式技术」的大名应该如雷贯耳吧?作为他们的优秀结晶， 我是地道的「富二代」，综合了我娘的「单细胞水平研究能力」和我爹的「多指标分辨能力」，正所谓「青出于蓝而胜于蓝」，轻松实现单细胞水平一次检测四十多个蛋白标志物，让你对细胞的研究更具有深度和广度。下图 show 一下我是如何实现如此强大的功能：

　　采用金属元素标记的抗体来识别细胞表面或内部的抗原，细胞被逐个送入等离子炬中进行离子化，使得标签金属离子释放出来，释放出的金属离子被送入飞行时间检测室中进行分离检测，检测器会精确记录各种离子到达的时间，进而换算出每个细胞中各种金属标签的精确含量。最后，可采用 SPADE、PCA、viSNE 以及 Gemstone 等方法分析数据。

为啥要研究单细胞水平呢? 因为细胞具有异质性。如同下图，玻璃珠大小均一，似乎都一样。但是一旦赋予色彩，立刻表现出个性化。我们的免疫细胞、干细胞、肿瘤细胞等均具有异质性，通常不能用单一的标志物来区分它们，需要多个标志物同时使用才能将细胞更精细的分群和研究。传统的荧光标记流式细胞分析技术，在各个荧光通道之间通常会有信号的叠加，出现干扰，导致结果不准确。但使用各种金属元素作为标签的质谱流式技术(CyTOF)可以同时检测四十几个蛋白标志物，且无需考虑通道之间的干扰。

　　以人外周血白细胞分型为例， 流式细胞术同时标记十色以上分析难度较大，我们一起欣赏下质谱流式标记 27 个蛋白标志物的结果：

27 种抗体染色白细胞，并通过质谱流式技术分析

◆◆质谱流式应用实例◆◆

　　粒细胞的发育和功能研究

　　Evrar 等人利用质谱流式(CyTOF)技术，同时检测 40 个表面标志物的表达情况，对小鼠骨髓样本进行了系统的亚群分析，并细致研究了粒细胞分化过程中细胞的表型和功能变化。作者在骨髓中发现了三种不同的中性粒细胞亚群：具有高度增殖活性的前体细胞 preNeu 亚群，未成熟亚群和成熟亚群, 后两者均由 Pre-Neu 定向分化而来。这三种亚群在粒细胞分化过程中占有非常重要的地位。深入研究表明，C/EBPε 转录因子在巨噬细胞祖细胞分化为 preNeu 的过程中起到重要作用，随着 preNeu 的继续分化，细胞增殖的活性会降低，相反细胞迁移及免疫功能则会逐渐增强。作者利用胰腺癌小鼠模型进行了验证，结果表明，相比肿瘤负荷低的小鼠，肿瘤负荷高的小鼠外周血及肿瘤组织中未成熟中性粒细胞浸润的比例更高一些，而成熟中性粒细胞的比例并没有显著差异。

质谱流式结果揭示了具有不同表型特征的增殖性中性粒细胞

　　细胞因子检测

　　Baxter等同时标记了 26 个表面标志物和 14 种胞浆细胞因子，通过不同标志物组合分群并研究不同刺激条件下多种细胞因子的表达，以阐明自身免疫疾病中细胞因子表达水平的改变是如何导致自我耐受受损。　　

SLE 疾病患者的 CD14hi 单核细胞中诱导的细胞因子

　　信号通路研究

　　Treg 细胞和辅助 Th17 细胞分化不平衡会导致自身免疫疾病或炎症反应的发生。厦门大学周大旺教授团队[5] 应用 CyTOF 质谱流式细胞仪发现了 Hippo 信号通路中转录共激活因子 TAZ 在决定 CD4+ 初始 T 细胞分化为炎症的 Th17 效应细胞并抑制 Treg 调节性细胞分化中发挥着关键作用。深入研究发现，诱导 Th17 细胞分化的两大信号 IL-6 和 TGF-b 下游的转录因子 Smad3 和 STAT3 协同促进 TAZ 基因的转录和表达。TAZ 通过组蛋白乙酰化转移酶 Tip60 降低 Treg 细胞中关键蛋白 Foxp3 乙酰化水平来抑制 Treg 细胞的分化。当缺失 TAZ 或过表达 TEAD1 后，可以大幅提高初始 T 细胞分化为 Treg 细胞的能力。

　　这项研究阐明了 TAZ 在调节 CD4+ 初始 T 细胞分化为 Th17 细胞和 Treg 细胞的过程中发挥着关键调控作用及其重要机理。该项研究对多种自身免疫性疾病的发病机理提供理论依据，也为早期诊断和治疗慢性炎症性疾病提供可能的分子标志物和治疗靶标。

Th17 亚组显示出 TAZ 的富集，TAZ 与 Th17 细胞介导的自身免疫疾病相关

　　当然，金属标记可以实现无交叉的多重标记，但是如果抗体种类不能满足需求也是极为尴尬的，Bio-Techne 旗下两大抗体品牌 R&D System® 和 Novus Biologicals® 提供3000+ 种用于质谱流式技术的抗体，满足多种金属标记的需求。