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聊一点单细胞免疫分析

流式中文网 2019-06-24 00:35:16

分析单个白细胞可以帮助科学家确定它们在对抗疾病方面的具体作用。图片版权:Thomas Deerinck / SPL

人体免疫系统是一支庞大而分散的军队。这数十亿特殊细胞在不停运动,要确定哪些细胞在特定的地方或情况下做什么,是非常困难的。但蛋白质组学和基因组学技术的进步,使得研究人员逐渐开始能够对这些细胞进行分类。这是一项大规模的事业,可能产生比人类基因组计划多1000亿倍的数据。

数十年来,免疫学家一直非常依赖流式细胞术,这种技术涉及用不同荧光标记物标记细胞。在过去八到九年里,使用金属离子标记细胞的高通量质谱流式技术为癌症、肺结核和疟疾等疾病的免疫应答提供了更为详细的视角。

然而这些技术几乎不能完全覆盖所有的表面受体标记,很难确定T细胞和B细胞的具体工作机制。这些T细胞和B细胞表面独特的蛋白质分子被称为T细胞受体和B细胞受体,这些受体是人体精心设计的“识别特定靶点并以进化方式对它们做出响应”,纽约 Memorial Sloan Kettering Cancer Center 分子生物学家Jennifer Sims说。她还说道,免疫细胞几乎与人类一样多样化。

这些表面受体识别病原体或肿瘤上的特定分子特征或抗原。当受体检测到有害抗原时,它会触发免疫细胞增殖和发动攻击。每种受体都是不同的,由基因片段的组合编码,随着免疫细胞发育,这些基因片段被混洗并重组。上个月,在伊利诺斯州芝加哥举行的美国癌症研究协会年会上,Sims主持了一场关于分析T细胞受体库方法 的会议,他们认为,参与抗病的免疫,在一生中可以产生多达10E20个独特的受体。

试图找出免疫系统中数以万亿的T细胞受体和B细胞受体中的哪一部分与人类某种疾病相关,看起来是不可能的任务。但专门的测序方法使得研究人员能够在一定程度上进行尝试。目前约有60家公司提供服务或试剂盒,用于从细胞样本中读出T细胞和B细胞受体的重组基因序列。通过统计这些序列并观察它们如何改变,研究人员可以追踪哪些细胞克隆在疾病中起关键作用。

有些公司提供了整套解决方案,研究人员可以给该公司大量冷冻组织,他们会进行DNA分离、纯化,或提取RNA样本,并进行分析分析,将确定的核苷酸序列及其比例返回用户。而另一些公司则销售多重PCR引物,研究人员可以使用这些引物,自己动手,从他们自己的样品中扩增T细胞和B细胞受体基因片段。

这两种解决方案各有优缺点。有的适合冷冻组织,有的适合福尔马林固定、石蜡包埋的样本,有些对肿瘤细胞DNA的干扰敏感。所有平台都有一个共同的挑战:难以区分真正的生物学变化,例如免疫应答过程中某些细胞的小量扩增,以及使用酶引起的技术错误。

通过研究这些受体及其B细胞类似物,研究人员希望了解疾病过程中免疫系统如何响应和演变。尽管流式细胞仪可以揭示不同细胞群体如何上升和下降的粗略细节,但免疫受体分析方法可以确定所涉及的B细胞和T细胞“克隆”。剑桥麻省理工学院(MIT)的化学物理学家Alex Shalek说,为了研究这些特殊的受体并进一步扩大单细胞分析的能力,一系列基于测序的方法在这一领域掀起了一阵涟漪。正如DNA的四个'字母'可以编码人体内的任何基因一样,使用独特的DNA片段标记抗体为实验研究理论上无限多的蛋白质铺平了道路,Shalek说。

此外,这些技术通过允许研究人员在同一个细胞中测量转录组 - 也就是完整的表达基因集,丰富了免疫分析。虽然它不如大规模流式细胞术,但是可以在任何实验室、医院或诊所用DNA测序仪完成基于测序的免疫分析,这可能会扩大该技术的应用范围。研究人员现在可以选择至少六种商业系统和自己动手的方法,将单个细胞中的RNA和蛋白质转换成可在标准DNA测序仪上读取的字母串。

Sims说,这些新技术渐渐地加深了科学家对疾病状态下各种不同免疫细胞如何在微环境中发挥作用的理解。

流式细胞术几十年来一直是免疫学的主要技术手段,但它有缺点,就是可用标记少,存在光谱之间的重叠,对于涉及少量细胞或复杂表型的分析来说比较困难。

2009年,当时在加拿大多伦多大学的化学家Scott Tanner提出了一种解决方案:质谱流式(通常称为CyTOF),该方法将流式细胞术与质谱法结合,使用金属缀合的抗体将可检测标记的数量提高至50个左右。

这项技术在遗传学家Garry Nolan及其加州斯坦福大学的同事用它在人类骨髓细胞中同时测量34个参数后得到了普及,质谱流式帮助他们可同时追踪各种免疫细胞对不同药物的反应。质谱流式是发现新事物或新功能的好工具,不过在维护和使用上比较复杂,一旦质谱流式揭示哪些细胞和分子需要关注,还是需要采用常规流式细胞仪进行证明和后续分析。常规流式细胞术更快:每秒最多可以处理10,000个以上细胞,而质谱流式只能处理大约1,000个细胞。 由于质谱每个样品使用更多的抗体,所以任何错误都是十分昂贵的。如果您在分析后仍然需要收集细胞,质谱流式则不适合,因为细胞是被打散分解的。

最后,流式中文网总结一下,常规流式尽管单兵作战能力不足,但结合目前的质谱、DNA测序等技术,可以更好地揭示免疫系统的奥秘,并且最终的成果应用于临床,还是常规流式更靠谱。

节选翻译自:https://www.nature.com/articles/d41586-018-05214-w


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