單細胞分析中的質譜流式
Mass cytometry™ 是流式細胞術的一種變體,它使用金屬離子綴合的抗體代替熒光標記的抗體來測量細胞特性。該技術補充了越來越多的單細胞技術,每一種技術都有自己的優點、缺點和應用。與流式細胞術和單細胞轉錄組學等技術相比,質量細胞術在獲得的信息深度、可訪問性、分辨率以及在某些情況下的成本方面提供了有用的折衷方案。
金屬與熒光團
質量細胞術和流式細胞術的相似之處在於它們測量懸浮細胞的特性。但是它們在測量這些屬性的方式上有所不同。傳統流式細胞儀測量熒光,而質量細胞儀檢測鑭係金屬同位素。
質譜流式細胞術使用金屬信號而不是熒光信號,消除了流式細胞術實驗中出現的信號重疊和自發熒光的擔憂,允許在一次實驗中分析數百萬個細胞上多達 50 個標記。1這些標記可包括表面和細胞內標記以及細胞信號轉導事件(例如,通過磷酸化蛋白質)。
金屬標記的抗體也簡化了面板設計。“由於 CyTOF 技術使用單同位素金屬,因此面板設計非常簡單明了,”Fluidigm 首席科學官 Andrew Quong 說。“唯一需要注意的是,由於金屬標籤的純度和氧化造成的溢出效應需要考慮,但這些影響相對較小。”
用金屬而不是熒光團標記細胞特徵的另一個優點是穩定性。不僅質量流式細胞儀樣本始終是固定的,而且它們也不像流動樣本那樣具有光敏性。這兩個特點都可以在沒有當地專業知識或能力的情況下將樣品運送到其他地方。
羅切斯特大學 (URMC) 流式細胞儀資源副教授兼科學主任 Timothy Bushnell 是此類樣本的接收者,並且可以證明它們的穩定性。“我們有一個來自全國各地的樣本。它被留在了停機坪上——在夏天。當我們最終得到它並運行它時,對照樣品看起來與之前實驗中的對照相同,”Bushnell 說。
雖然金屬標記和熒光標記抗體的成本相似,但比較大規模細胞術和流式細胞術實驗的成本是困難的,因為每種技術都有不同的要求。“成本取決於實驗的內容。在某些情況下,我們發現質量流式細胞術最終可能會稍微便宜一些,”URMC 流式細胞術資源技術總監 Matthew Cochran 說。“使用流式細胞儀,您通常最終不得不運行更多控制。”
為了讓質譜流式細胞儀更實惠、更易於使用,唯一的質譜流式細胞儀試劑和設備供應商 Fluidigm 於 2021 年推出了新系統:CyTOF XT。“嵌入在這個新系統中的創新簡化了操作,提高了通量,集成了新的樣品引入自動化,縮短了獲得結果的時間,並降低了總擁有成本,”Fluidigm 高級產品經理 Thiru Selvanantham 說。
蛋白質與轉錄本
大規模細胞術最初是為了擴大細胞術可分析的靶點數量而開發的,使其成為免疫表型分析的理想選擇。然而,雖然單細胞轉錄組技術可用於定義免疫系統內的細胞群和狀態,但實驗室可能選擇質譜流式細胞術的原因有很多。
“轉錄組技術可以查看更多標記,但歸根結底,蛋白質是主要的效應分子,”URMC Handy Gelbard 實驗室的實驗室技術員 Herman Li 說。與杜克大學的 Niccolo Terrando 實驗室合作,Gelbard 實驗室正在利用大規模細胞術來了解炎症如何導致骨科手術後譫妄。
“我們一開始就有偏見。在我們的譫妄小鼠模型中,我們被編程為認為小膠質細胞是關鍵參與者。但是,我們可能會錯過可能更關鍵的其他免疫細胞群的時間有限的想法是吸引我們進行大規模細胞術的原因,”Gelbard 說。“對於單細胞轉錄組學,你經常會遇到太多信息,有時假設會因此而變得模糊。” 與單細胞轉錄組學相比,質譜流式細胞術也更便宜且生物信息密集度更低。
這兩個實驗室專注於大腦中的免疫細胞,這導致他們考慮成像質譜流式細胞儀 (IMC),這是質譜流式細胞儀的一種變體,“利用金屬標記抗體和檢測探針,而不是熒光標記的探針對載玻片進行成像”,而不是根據 Quong 的說法,細胞處於懸浮狀態。
將空間維度添加到質譜流式細胞術可以使該技術更易於使用,特別是對於那些喜歡使用組織的人。“在為 IMC 設計面板時,我們應用了與基於懸浮液的質量流式細胞術相同的生物學考慮。由於成像中細胞類型的異質性很大,這可以使面板設計比懸浮液更簡單,”Quong 說。
與基於懸浮液的質量流式細胞術一樣,IMC 有一個轉錄組學類似物:空間轉錄組學。“與空間轉錄組學相比,IMC 的主要優勢在於 IMC 是一種真正的成像技術,具有足夠的分辨率來確定單個細胞的特定位置,”Quong 補充道。
事實上,與 IMC 相比,空間轉錄組學的分辨率相形見絀。例如,10X Genomic 的 Visium Arrays 的分辨率比肉眼更差(55–100 vs. 40 μm)。2,3直到最近,隨著 Seq-Scope 的出現,空間轉錄組學的分辨率才趕上 IMC。3但這項技術並不是真正的成像技術;相反,它是原位測序的一種變體,它使用 Illumina 合成測序從條形碼探針中讀取空間信息。因此,只有少數擁有必要專業知識和能力的人才能輕鬆使用該方法。
它以單細胞分辨率詢問高維細胞群的能力使 IMC 非常適合許多應用,甚至超出了大腦的範圍。“這種能夠查看大約 30 個標記的空間關係以及它們所表達的細胞的想法可以幫助我們更好地了解從細胞發育到癌症生物學的一切,”Bushnell 說。