质谱流式技术年度重磅成果盘点

　　随着生命科学的不断发展及对单细胞分析手段越来越高的需求，传统的荧光流式细胞技术已不能满足科学家们的需要。质谱流式技术(Mass Cytometry)因此应运而生。它通过对传统流式技术和质谱技术的整合，是目前单细胞多参数分析中最先进的技术之一，也有越来越多国内的科研、临床及药物研发的工作者们将他们敏锐的目光投向了这一先进的技术，研究方向涉及肿瘤、免疫、转化医学、干细胞、药理研究等诸多领域。尤其是2020年新冠疫情爆发，质谱流式细胞技术在这一领域更是提供了良好的支持。这里是2020年质谱流式平台部分令人印象深刻的文章。

　　图1 质谱流式常见的实验流程

　　新冠肺炎研究

　　2020年的新冠疫情可以说是年度最大的黑天鹅，给全世界的各个行业都带来了巨大的冲击。而科学工作者和医务工作者们也为了应对这一突发状况做出了巨大努力。在研究过程中，研究人员逐渐发现轻度、中度和重度患者的免疫系统存在显著差异。在这方面，北京佑安医院是比较早的展开研究的单位之一。张玉林等人使用质谱流式成像技术，分析了两位新冠患者肺组织切片的免疫细胞组成。该结果证明，肺组织有CD4 T细胞、CD8 T细胞、NK细胞和巨噬细胞浸润，并且CD45RA T细胞异常是新冠肺炎的特征之一。随后，欧阳雅博和王文敬(图2)等人分别发表文章，分析了不同病程病人的基因表达水平和T细胞占比。测序结果显示，重症病人的T细胞数量下降，其激活和分化的基因表达水平下调。通过质谱流式分析PBMC样本，不同病程的患者的免疫细胞组成同样差异巨大。紧接着，时红波等人又在单细胞蛋白和细胞因子两个层面分析了新的病例，除了进一步验证了上述细胞亚群比例下降之外，还发现IL-2等细胞因子的浓度降低。而且，免疫细胞比例和细胞因子浓度均可用于预测患者病情的恶化程度。这些研究为我们了解新冠肺炎的进展和诊断提供了巨大支持。

　　图2 质谱流式分析不同病程病人的PBMC中免疫细胞占比情况。Wang et al.

　　加利福尼亚大学的Neidleman等人使用含38个靶点的质谱流式panel分析了9名新冠治愈者的样本，证明了恢复期患者的T细胞特异性激活，其中的CD4 T细胞和CD8 T细胞分别主要由Tcm和Temra细胞组成。这些细胞表达CD127(IL-7受体)，可以稳定增殖，并且持续2个月以上。德国的Schulte-Schrepping等人则联合应用单细胞转录组和质谱流式，在转录组和蛋白水平分别分析了100例临床样本，该研究的内容倾向于髓系细胞。结果显示重度患者的骨髓紧急生成，表现为免疫抑制的前中性粒细胞、幼稚中性粒细胞、功能障碍的成熟中性粒细胞和抑制性HLA-DRto单核细胞大量出现。路易斯维尔大学的Morrissey等人同样重点研究了髓系细胞，其方向则是中性粒细胞对于炎症和病程中出现的凝血问题。结果显示重症患者样本中存在低密度炎症中性粒细胞亚群，并在临床上与D-二聚体和全身性IL-6和TNF-α水平相关，可导致新冠相关的血栓等凝血疾病的出现。

　　免疫响应图谱与疾病治疗

　　对疾病本身的分析固然重要，但是当务之急是疾病治疗。合理的治疗方案则离不开对患者的免疫系统的持续检测，这里包括了体液免疫和细胞免疫两个部分(图3) 。

　　图3 影响免疫反应的各种细胞类型

　　Rodriguez等人在治疗过程中，纵向监测了39名新冠患者的免疫反应，绘制了康复过程中的免疫轨迹。结果发现，IFNγ-嗜酸性粒细胞在肺部过度炎症反应之前激活，并随着病情改变了细胞的凝集作用。苏黎世大学的Chevrier等人利用质谱流式和血清蛋白质组学，分析了患者们的先天免疫状态。CD169+ 单核细胞迅速扩增，全身性CCL3和CCL4水平升高等等的一系列数据，支持了病理性先天免疫可能是新冠感染的关键机制，以及重度新冠肺炎需要抗炎干预措施。这一结果揭示了炎症反应在新冠肺炎中的作用，进而出现了一些与之相关的研究。苏黎世大学医院的Adamo等人继续了CD8 T细胞和相关炎症的研究。通过分析发现，不论是绝对数量还是相对数量，外周血CD8 T细胞均下降明显，而且T细胞凋亡和向炎症组织迁移是外周血T细胞减少的原因。并且，IL-7(一种T细胞的生长因子)水平升高，这一结果表明了患者全身T细胞减少和T细胞增殖增加的迹象。质谱流式结果的拟时分析同样显示，重度新冠患者存在广泛的T细胞减少现象，以及随后的T细胞增殖增加的特征。这些结果表明，CD8 T细胞减少可能是重度新冠的标志，并进一步定义了破坏性的炎症环境，以及临床应针对性的及时抗炎，以提高治疗效果。斯坦福大学的Arunachalam等人报告了一种系统生物学方法，用于评估轻至重度疾病的新冠患者的免疫状况。该团队使用用于蛋白质磷酸化特异性表位的胞内标志物的质谱流式磷酸蛋白panel，对PBMC中的免疫细胞表型进行了分型。结果发现，在患者的PBMC中，骨髓细胞HLA-DR和促炎细胞因子表达降低，浆细胞样DCs mTOR信号和IFN-α的产生受损。相反，血浆中炎症介质(包括EN-RAGE、TNFSF14和抑癌蛋白M)的水平升高，这与疾病的严重程度和人血浆中细菌含量的增加有关。最值得注意的是，在所有感染的个体中，成浆细胞和效应CD8+ T细胞的频率增加，并且CD8+效应T细胞的反应时间延长。在新冠肺炎的治疗方面，质谱流式同样起到了重要的作用。冷子宽等人利用间充质干细胞对新冠患者进行治疗，并逆转了重症病人的细胞因子风暴。利用质谱流式检测，可以看到治疗后的患者免疫细胞组成恢复正常。

　　疫苗开发

　　根据前期的对于新冠病情的分析不难看出，CD8 T细胞对于消除和保护病毒感染至关重要。Schulien等人利用MHC-I四聚体分析定义了新冠肺炎康复期患者的特异性CD8 T细胞的抗原表位，设计利用抗原多肽刺激T细胞，使其被激活为新冠病毒特异性T细胞。新激活的T细胞与原有的T细胞的功能类似，可以对患者起到保护作用。加州大学旧金山分校的Neidleman等人则利用质谱流式确定了疫苗的潜在目标。他们利用定制的离体模型，使用38个标记的抗体panel定义了康复期新冠患者的SARS-CoV-2特异性T细胞表型。该研究确定了针对SARS-CoV-2的有效免疫力的共同特征，并建议诱导类似的针对该病毒的长寿命CD4+和CD8+ T细胞应答作为疫苗接种策略，并评估疫苗诱导的SARS-CoV-2特异性T细胞应答的特征。弗吉尼亚梅森医学中心的DeGottardi等人利用质谱流式研究了黄热病病毒的疫苗。他们分析了cCXCR5 T细胞的起源和发育(cCXCR5可用作TFH细胞活性的生物标志物)。利用这一方法来评估疫苗的安全性。通过对比疫苗接种前后病毒特异性T细胞的活化情况，证明了该疫苗仅引起了病毒特异性T细胞数量的增加，其他类型的细胞不受影响，进而证明了疫苗的安全性。法国疫苗研究所的Palgen等人，利用质谱流式评估了疫苗的接种时间间隔与免疫保护之间的关系。他们利用35个标记的抗体panel，分析了安卡拉病毒疫苗的短期和长期接种方案所产生的影响。间隔2周进行两次皮下注射会导致免疫反应的二级反应减弱和类似的先天髓系反应。相反，间隔2个月可以改善抗体反应的质量，并涉及更多的活化成熟先天细胞。文章揭示了中性粒细胞的新特征，并发现了相关的嗜酸性粒细胞在疫苗响应中的作用，从而确定了初次免疫-加强接种过程中先天性和适应性免疫的机制。在疫苗上市后的安全评价上，质谱流式同样发挥着作用。2009年流感大流行，有证据表明接种疫苗导致了1型嗜睡症(NT1)的发病。隆德大学的Lind等人利用质谱流式分析了GSK公司的Pandemrix®导致的NT1患者的免疫学特征。结果显示，受影响患者中特异性T细胞亚群明显减少。这项研究标志着使用单细胞分析来解释疾病发病机理和免疫过程的新方法的可能性，并证实了进一步研究CD8+ T细胞以用于未来潜在疗法的观察。马萨诸塞州的Reeves等人，针对寇热(Q-fever，一种由贝纳立克次体(Cb)引起的类流感疾病)，在小鼠模型上展开了研究。研究人员利用质谱流式平台，使用200μL的样本分析了疫苗接种后，循环免疫细胞群的变化(图4)，证明疫苗接种10天内即起到了保护作用，并至少持续到了接种后35天。这项研究完善了对Cb疫苗接种的综合免疫反应的理解，确定了关键免疫调节蛋白的新作用，并为评估Cb候选疫苗提供了信息，同时使反应原性降至最低。

　　图4 评估接种Cb疫苗后关键标志物的表达 Reeves et al.

　　肿瘤研究与治疗

　　免疫疗法是目前癌症疫苗和治疗最引人注目的领域之一，而质谱流式具有识别新抗原特异性T细胞的独特能力，因而在区分疫苗特异性激活的免疫细胞方面脱颖而出。加利福尼亚大学旧金山分校的Mueller等人报告的一项针对弥散性中线神经胶质瘤(DMG，一种致命的小儿脑癌)的临床研究中，研究人员评估了含有特定H3突变的DMG患者中，针对该突变的疫苗的安全性、免疫反应性和有效性。该疫苗每三个月进行一次免疫监测和成像，并使用质谱流式评估PBMC中的免疫反应。该小组利用MHC Dextramer®(图5)和质谱流式技术来分析多个免疫亚群，以更好地探索疫苗触发的抗原反应性CD8+ T细胞与延长的中位OS之间的关联。结果发现，H3反应性CD8+T细胞扩增的患者的中位OS为16.1个月，而相应患者的中位OS为9.8个月。该疫苗的接种耐受性良好。与无应答者相比，H3特异性CD8+免疫应答的患者OS延长。而实验本身则证明了对于细胞表面，细胞质，细胞核等免疫监测的重要性。这项研究验证了质谱流式技术对基于CD8+ T细胞的免疫疗法进行高维免疫监测的能力。

　　弗雷德·哈钦森癌症研究中心的Li等人通过CyTOF技术结合MHC四聚体来研究免疫检查点治疗的小鼠模型，以便更多地了解免疫检查点抑制剂如何影响肿瘤特异性T细胞，以及这些细胞为何未能成功攻击肿瘤细胞。研究人员发现，活化的肿瘤特异性CD8 +肿瘤浸润淋巴细胞(TIL)在免疫治疗后大量扩增，但是并未导致肿瘤消退。结合单细胞转录组测序的结果，TIL扩增与表型变化相关，包括耗竭marker富集、CD39表达和靶向肿瘤细胞的TCR激活等等。这项工作为研究肿瘤中的新抗原提供了一个新模型，并重新探讨了新抗原特异性T细胞在免疫治疗中的作用。

　　图5 金属标记的MHC四聚体示意图，用于鉴定抗原特异性T细胞

　　由于篇幅有限，这里仅仅列举了部分研究领域相关的论文，但是令人印象深刻的论文远不止我们所提到的这些。质谱流式可以在单个样本的单细胞水平检测大量(≧50个)不同的蛋白靶标，从而使其能够高效、快速、可靠地获得全面的免疫图像。指示疾病的进展或改善情况。