空間代謝組質(zhì)譜成像技術(shù)：快速評(píng)估口腔腫瘤手術(shù)效果及代謝可視化

01研究背景

外科手術(shù)是口腔癌患者的治療方法。對(duì)切除標(biāo)本進(jìn)行組織學(xué)處理后，再由病理學(xué)家對(duì)腫瘤細(xì)胞與切除邊緣之間的距離進(jìn)行細(xì)致的顯微評(píng)估后，才能評(píng)估手術(shù)是否徹底，這可能需要幾天到幾周的時(shí)間才能得出報(bào)告。盡管可以通過(guò)冰凍切片或其他方法評(píng)估切除邊緣，但要在保留口腔癌患者功能的情況下達(dá)到根治性的腫瘤切除，術(shù)中的決策仍然具有挑戰(zhàn)性。電外科蒸汽快速蒸發(fā)電離質(zhì)譜（REIMS）可對(duì)正常的腫瘤組織進(jìn)行實(shí)時(shí)分類。然而，口腔鱗狀細(xì)胞癌（OSCC）的浸潤(rùn)性侵襲模式對(duì)REIMS檢測(cè)低量腫瘤細(xì)胞的能力構(gòu)成了挑戰(zhàn)。作者首次評(píng)估了REIMS的敏感性來(lái)確定在口腔癌手術(shù)中檢測(cè)到的腫瘤細(xì)胞的最小數(shù)量。

 

02前言

研究共包括11名OSCC患者，基于5名患者的185個(gè)REIMS體外代謝圖譜的組織分類與組織病理學(xué)分類使用多變量分析和離開一個(gè)病人的交叉驗(yàn)證進(jìn)行比較。基于電噴霧電離－質(zhì)譜成像（DESI-MSI）的空間代謝組技術(shù)被用于檢測(cè)六個(gè)口腔切片的組織異質(zhì)性，來(lái)評(píng)估REIMS的結(jié)果。用一種基于細(xì)胞的檢測(cè)新方法評(píng)估了REIMS的敏感性，該方法由細(xì)胞系的混合物（腫瘤、肌細(xì)胞、角質(zhì)細(xì)胞）組成。作者描述了REIMS對(duì)腫瘤和軟組織的分類的成果，準(zhǔn)確率為96.8%。REIMS檢測(cè)到，10%的腫瘤細(xì)胞與90%的肌細(xì)胞混合，靈敏度為83%，特異性為82%�？傊�，用DESI-MSI評(píng)估組織的異質(zhì)性和用細(xì)胞混合物評(píng)估REIMS的敏感性，這兩種方法為口腔癌手術(shù)期間體內(nèi)組織的識(shí)別提供了特征代謝譜。

03研究思路

 

04研究方法

 

研究材料：

（1）組織樣本： 11名計(jì)劃進(jìn)行OSCC的手術(shù)切除的患者

（2）體內(nèi)和體外的REIMS組織分析

（3）DESI-MSI組織切片分析：負(fù)電離模式，質(zhì)量范圍：m/z 100-1500，像素大�。�30 × 30 微米，病理學(xué)家選擇的組織學(xué)區(qū)域內(nèi)，將六個(gè)相鄰的像素點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，生成空間代謝圖譜，以研究組織的異質(zhì)性。

（4）細(xì)胞顆粒的制備和REIMS細(xì)胞顆粒分析：角質(zhì)細(xì)胞代表黏膜，肌細(xì)胞代表肌肉，OSCC細(xì)胞系代表腫瘤。每一類三個(gè)生物重復(fù)。

 

研究技術(shù)：

(1) 電外科蒸汽快速蒸發(fā)電離質(zhì)譜REIMS

(2) 電噴霧電離－質(zhì)譜成像DESI-MSI（空間代謝組技術(shù)）

 

05研究結(jié)果

1. 體外REIMS分析建立組織分類器

作者利用電外科蒸汽的體外REIMS分析，在5名患者提供的口腔組織上建立了185個(gè)組織特異性代謝圖譜庫(kù)，并達(dá)到了96.8%的交叉驗(yàn)證準(zhǔn)確率（圖1A）。在用針狀電極進(jìn)行REIMS分析時(shí)，組織采樣導(dǎo)致了組織缺失的產(chǎn)生。這些組織缺失在供病理學(xué)家檢查的組織切片上表現(xiàn)為不同直徑的圓孔（約1—1.5毫米）。在PCA評(píng)分圖中，腫瘤和軟組織的輪廓沿著PC1軸明顯分開（圖1B）。軟組織（如肌肉、脂肪）和腫瘤的代表性代謝輪廓顯示出獨(dú)特的輪廓（圖1C,D），并與體內(nèi)的代謝輪廓相似（圖1E）。

 

圖1 舌頭組織的電外科蒸汽的REIMS分析

 

2. DESI-MSI分析評(píng)估口腔組織的代謝 "熱點(diǎn)"

作者使用DESI-MSI來(lái)研究組織學(xué)特征，這些特征可能從針式電取樣方法中遺漏，可能會(huì)影響代謝輪廓的差異。分類結(jié)果（圖2A,B）、PCA（圖2C）顯示，神經(jīng)代謝譜與肌肉和腫瘤代謝譜明顯不同。

 

圖2  通過(guò)DESI-MSI檢測(cè)口腔組織中不同的神經(jīng)代謝情況

 

3. 通過(guò)DESI-MSI分析口腔組織中的腫瘤代謝標(biāo)志物

作者利用DESI-MSI尋找反映OSCC代謝異質(zhì)性的標(biāo)志物。OSCC可以呈現(xiàn)不同程度地分化和角質(zhì)化。探討了與鱗狀上皮成熟有關(guān)的代謝變化（在增生的正�？谇徽衬け趁妫�，與OSCC鱗狀分化和角質(zhì)化有關(guān)的代謝變化（在逐漸分化的OSCC中）。作者篩選了可判別基底/棘層（即正常黏膜的基底/尖層）變化的質(zhì)量特征。最明顯的黏膜內(nèi)代謝轉(zhuǎn)變是從定位于基底側(cè)的醚－磷脂酰到主要定位于頂端的膽固醇硫酸鹽（圖3A,B）。這種代謝轉(zhuǎn)變?cè)陲@示中央角質(zhì)化特征的OSCC（圖3C,D）中也被觀察到。這些代謝物在基底層OSCC的非角化和角化部分的異質(zhì)性分布（圖3E）。只有m/z 698.5分布在刺狀OSCC的中央部分（圖3F）。膽固醇硫酸鹽在腫瘤中央疤痕和角質(zhì)化部分很強(qiáng)烈，但醚－磷脂酰在浸潤(rùn)增生的腫瘤邊界很強(qiáng)烈（圖3E，F(xiàn)）。

 

圖3  DESI-MSI獲得OSCC分化的常見代謝標(biāo)志物

 

4. 測(cè)量細(xì)胞顆粒中的代謝概況評(píng)估REIMS的靈敏度

OSCC切除邊緣可能存在的腫瘤衛(wèi)星對(duì)REIMS技術(shù)的敏感性提出了挑戰(zhàn)。為了評(píng)估這種敏感性，作者用細(xì)胞系混合物來(lái)表示口腔組織環(huán)境：角質(zhì)細(xì)胞代表黏膜，肌細(xì)胞代表肌肉，OSCC細(xì)胞系代表腫瘤。這些代謝圖譜被正確識(shí)別，達(dá)到了95%的交叉驗(yàn)證準(zhǔn)確率（圖4A）�？偣�336個(gè)REIMS代謝輪廓被用來(lái)建立一個(gè)有兩個(gè)類別的模型：腫瘤和肌肉，模型的正確率為79.8%。作者用這個(gè)分類結(jié)果建立了ROC曲線，以更詳細(xì)地評(píng)估靈敏度（圖5）。當(dāng)混合肌細(xì)胞時(shí)，REIMS方法能夠以10%的比例檢測(cè)腫瘤細(xì)胞，真實(shí)陽(yáng)性率為83%。

 

圖4 通過(guò)測(cè)量細(xì)胞顆粒產(chǎn)生的電外科蒸汽，評(píng)估REIMS的靈敏度

 

圖5 REIMS敏感性的ROC曲線

06研究結(jié)論

在體外收集的REIMS代謝圖譜可以高度準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)手術(shù)切除期間的口腔癌組織病理學(xué)結(jié)果。作者使用一種基于評(píng)估細(xì)胞混合物的新方法確定了REIMS技術(shù)的敏感性。DESI-MSI可視化了與腫瘤異質(zhì)性相關(guān)的代謝和腫瘤特異性標(biāo)志物。在檢測(cè)切除邊緣的OSCC細(xì)胞時(shí)，未來(lái)與術(shù)中診斷有關(guān)的研究將受益于這些創(chuàng)新的定量策略，以評(píng)估基于實(shí)時(shí)質(zhì)譜的代謝分析技術(shù)的敏感性。結(jié)合REIMS和DESI-MSI數(shù)據(jù)可以評(píng)估組織異質(zhì)性、識(shí)別和靶向特定代謝腫瘤標(biāo)志物的前提條件，可以改善手術(shù)中的腫瘤檢測(cè)情況。

 

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空間代謝組質(zhì)譜成像技術(shù)可以對(duì)腫瘤臨床手術(shù)效果進(jìn)行快速評(píng)估，可將腫瘤異質(zhì)性相關(guān)代謝物和腫瘤特異性標(biāo)志物可視化。作者創(chuàng)新性地用兩種方法評(píng)估了REIMS的敏感性，這種新方法對(duì)其他的癌種的手術(shù)切除技術(shù)提供了新的評(píng)估思路。

 

參考文獻(xiàn)

PMID: 35503862 DOI: 10.1021/acs.analchem.1c03583

 

文末看點(diǎn)｜lumingbio

 

上海鹿明生物科技有限公司是歐易生物旗下從事蛋白質(zhì)組及代謝組質(zhì)譜檢測(cè)的專業(yè)質(zhì)譜組學(xué)服務(wù)公司。公司建有國(guó)內(nèi)第一個(gè)空間代謝組商業(yè)服務(wù)平臺(tái)，深耕質(zhì)譜組學(xué)檢測(cè)分析，具體包括空間代謝組、雙平臺(tái)代謝組、靶向代謝組、TMT標(biāo)記定量蛋白組、翻譯后修飾蛋白組、4D-DIA蛋白組、單細(xì)胞及超微量蛋白組、空間蛋白組等。創(chuàng)新質(zhì)譜組學(xué)平臺(tái)廣泛應(yīng)用于機(jī)制解析、分型診斷、標(biāo)志物篩選、藥靶發(fā)掘等多個(gè)領(lǐng)域。公司并先后獲得高新技術(shù)企業(yè)、上海市專精特新企業(yè)并建有院士專家工作站，自有包括tims tof pro2在內(nèi)的各類大型質(zhì)譜近二十臺(tái)套，年服務(wù)項(xiàng)目超2000項(xiàng)。鹿明生物協(xié)助合作伙伴發(fā)表SCI論文近千篇，成功打造以硬數(shù)據(jù)、好服務(wù)為基礎(chǔ)，以空間代謝組為特色的質(zhì)譜組學(xué)檢測(cè)服務(wù)公司品牌。

 

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