哈佛醫(yī)學(xué)院發(fā)表納米生物技術(shù)助力蛋白質(zhì)組的全面表征和深度覆蓋研究

前言

2022年11月Ferdosi Shadi發(fā)表了題為“Enhanced Competition at the Nano-Bio Interface Enables Comprehensive Characterization of Protein Corona Dynamics and Deep Coverage of Proteomes”的研究成果，作者將工程化納米顆粒（nanoparticles，NPs）引入到血液等生物流體中，在蛋白質(zhì)-NP親和力和蛋白質(zhì)豐度之間的關(guān)系驅(qū)動(dòng)下，在顆粒-蛋白質(zhì)界面形成選擇性和可重復(fù)的蛋白質(zhì)冠。這使得利用蛋白質(zhì)-納米相互作用的可擴(kuò)展系統(tǒng)能夠克服目前深度血漿蛋白質(zhì)組學(xué)在大型隊(duì)列中的局限性。

 基本信息  中文標(biāo)題：納米生物的強(qiáng)化競(jìng)爭(zhēng)使蛋白質(zhì)電暈動(dòng)態(tài)的全面表征和蛋白質(zhì)組的深度覆蓋成為可能研究對(duì)象：血漿發(fā)表期刊：Advanced materials影響因子：32.086發(fā)表時(shí)間：2022年8月20日發(fā)表單位：哈佛醫(yī)學(xué)院運(yùn)用生物技術(shù)：蛋白組研究背景   血漿是評(píng)估人類健康和疾病狀態(tài)的理想生物樣本，因?yàn)樗�與幾乎所有的組織相連，可以縱向獲取且侵入性最小。然而，血漿蛋白質(zhì)組的動(dòng)態(tài)范圍很廣，橫跨10個(gè)數(shù)量級(jí)，有數(shù)百萬(wàn)種獨(dú)特的蛋白質(zhì)形態(tài)，這給標(biāo)準(zhǔn)的蛋白質(zhì)組學(xué)方法帶來(lái)了挑戰(zhàn)，阻礙了蛋白質(zhì)組學(xué)深度研究的大規(guī)模應(yīng)用。為了打破這一限制，本文開(kāi)發(fā)了一種采用蛋白質(zhì)-納米相互作用的可擴(kuò)展技術(shù)，在血漿分析的深度和廣度方面提供了卓越的性能，并揭示了用于生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)的新疾病特征。

研究思路

研究結(jié)果

1.納米顆粒工程與蛋白質(zhì)電暈研究

為了研究納米生物的相互作用和NP電暈的形成動(dòng)力學(xué)，作者設(shè)計(jì)、表征和比較了不同的NP，并進(jìn)行了自動(dòng)化的高通量深度蛋白質(zhì)組分析工作流程（圖1A）。為了表征這些NPs的理化性質(zhì)，并確保成功合成圖1B-D所示的所有5種目標(biāo)SPIONs，進(jìn)行了振動(dòng)樣品磁力測(cè)量（VSM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線光電子能譜（XPS）、動(dòng)態(tài)光散射（DLS）和ZETA電位測(cè)量，結(jié)果表明本研究中使用的NPs的具有獨(dú)特特征。

 

圖1 | NP蛋白質(zhì)組學(xué)工作流程和表征

2.調(diào)控納米生物的相互作用

為了研究蛋白冠組成、NPs的理化性質(zhì)、可利用的結(jié)合表面和蛋白結(jié)合競(jìng)爭(zhēng)之間的關(guān)系，作者定量剖析了在不同血漿-NP（P/NP）比率下形成的蛋白冠（圖2A）。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，使用Proteograph Product Suite對(duì)蛋白質(zhì)冠狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全自動(dòng)分離和處理。

 

通過(guò)捕獲離子遷移的LC-MS/MS管道（timsTOF-Pro）對(duì)肽段進(jìn)行鑒定和定量，并使用DIA-NN在蛋白質(zhì)和肽段的水平上應(yīng)用1%[xss_clean_space]FDR截?cái)嘀祵?duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終在所研究的5個(gè)NPs中產(chǎn)生2081個(gè)蛋白質(zhì)和14194個(gè)肽段（1918個(gè)蛋白和12747肽段分別在至少一個(gè)測(cè)試條件的所有重復(fù)中被一致識(shí)別）。

圖2 | Vroman效應(yīng)和NP蛋白質(zhì)組學(xué)性能

 

3.復(fù)雜生物樣品中納米生物相互作用的定量解析

為了測(cè)試蛋白質(zhì)識(shí)別性能的提高是否能轉(zhuǎn)化為對(duì)臨床相關(guān)蛋白質(zhì)的更好檢測(cè)，作者調(diào)查了生物途徑的覆蓋率，結(jié)果證明隨著P/NP比率的增加，細(xì)胞因子/化學(xué)因子和激素信號(hào)蛋白在面板水平上的覆蓋率有所提高（跨越所有5種NPs，圖3）。

 

為了估計(jì)用NPs對(duì)低豐度血漿蛋白質(zhì)組進(jìn)行可重復(fù)和大規(guī)模訪問(wèn)的效用，作者從豐度高的500個(gè)蛋白質(zhì)(圖3D)中的生物標(biāo)志物頻率外推預(yù)測(cè)生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)潛力。

 

從這個(gè)分析中，估計(jì)在接下來(lái)的1500個(gè)低豐度蛋白中可以發(fā)現(xiàn)大約200個(gè)額外的蛋白生物標(biāo)志物，這比迄今為止在這個(gè)數(shù)據(jù)集中注釋的生物標(biāo)志物的數(shù)量多了一倍以上。

 

4. NP-電暈動(dòng)力學(xué)建模

為了深入了解電暈形成的動(dòng)態(tài)，作者擴(kuò)大了NP-C、NP-D和NP-E顆粒的NP電暈分析，并增加了每個(gè)P/NP比例的蛋白質(zhì)電暈形成時(shí)間過(guò)程數(shù)據(jù)（10分鐘、30分鐘、1、2、17小時(shí)，圖4A），測(cè)量了534個(gè)樣品中3184個(gè)單獨(dú)蛋白質(zhì)組的強(qiáng)度，并使用UMAP方法來(lái)概述每個(gè)條件下電暈蛋白強(qiáng)度分布的差異和相似性（圖4B），結(jié)果證實(shí)了Proteograph工作流程的可重復(fù)性和在所有探測(cè)的實(shí)驗(yàn)條件下蛋白質(zhì)電暈形成的精確度。

 

通過(guò)使用UMAP系統(tǒng)地比較所有蛋白質(zhì)的強(qiáng)度譜，不同NPs的強(qiáng)度圖譜所占據(jù)的UMAP區(qū)域大體上是重疊的，這表明雖然NPs與特定蛋白質(zhì)具有結(jié)合特異性，但它們?cè)谡麄�(gè)蛋白質(zhì)組的相互作用的動(dòng)態(tài)是由共同的機(jī)制決定的。

 

總的來(lái)說(shuō)，在指定的檢測(cè)條件下，NP電暈的定量重現(xiàn)性非常高，除了NP功能化外，在P/NP和孵化時(shí)間方面也有廣泛的調(diào)整機(jī)會(huì)。

圖4 | P/NP比例和NP孵化時(shí)間的調(diào)制對(duì)蛋白質(zhì)電暈的影響

 

研究結(jié)論

當(dāng)暴露在生物基質(zhì)中時(shí)，工程化的納米顆粒形成高度可重復(fù)的蛋白質(zhì)冠，可用于高動(dòng)態(tài)范圍蛋白質(zhì)組的深度和定量研究以及廣泛的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。所形成的納米生物復(fù)合物的理化性質(zhì)和生物活性是NP表面設(shè)計(jì)的函數(shù)，正如文章顯示的那樣，在很大程度上取決于生物樣本相對(duì)于結(jié)合表面積的分子組成和濃度。

 

由于納米粒在體內(nèi)應(yīng)用的濃度機(jī)制與本研究中考察的條件相似，因此除了納米粒的功能化外，納米粒的給藥方式、患者的蛋白質(zhì)組組成和循環(huán)時(shí)間也會(huì)影響納米粒的冠層組成、藥代動(dòng)力學(xué)和動(dòng)力學(xué)。

 

因此，納米工程，基于全面無(wú)偏質(zhì)譜的電暈成分動(dòng)力學(xué)讀出和機(jī)器學(xué)習(xí)的獨(dú)特結(jié)合提供了：1、通向深度和可擴(kuò)展的血漿蛋白質(zhì)組學(xué)的門戶；2、更好地預(yù)測(cè)體內(nèi)電暈形成和生物分布的新策略。

 

  小鹿推薦

本研究通過(guò)不同類型的功能化NPs相對(duì)于復(fù)雜生物樣品的特定結(jié)合表面積，以及在蛋白質(zhì)冠層形成的時(shí)間過(guò)程研究中，詢問(wèn)蛋白質(zhì)的結(jié)合和蛋白質(zhì)冠層的組成。

證明了通過(guò)限制NP的表面積來(lái)調(diào)整Vroman效應(yīng)，可以顯著改變電暈組成并增強(qiáng)下游蛋白質(zhì)組學(xué)分析性能，與傳統(tǒng)的血漿蛋白質(zhì)組學(xué)工作流程相比，單個(gè)NP的血漿蛋白質(zhì)組覆蓋率提高了3倍。
 

鹿明生物Deep高深度血液蛋白質(zhì)組

鹿明生物基于納米顆粒對(duì)血液樣本中低豐度蛋白進(jìn)行富集，采用全新一代4D tims TOF Pro2結(jié)合DIA- PASEF質(zhì)譜掃描模式對(duì)血液中低豐度蛋白進(jìn)行無(wú)遺漏的全景式掃描采集，全面提升中低豐度蛋白的檢出率，實(shí)現(xiàn)血液樣本2000+的高深度檢測(cè)。基于最權(quán)威的SwissProt reviewed非冗余數(shù)據(jù)庫(kù)+Spectronaut Pulsar 16分析軟件進(jìn)行搜庫(kù)定性定量分析獲得高質(zhì)量的定性定量結(jié)果，部分測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

血清高豐度去除與低豐度富集處理蛋白鑒定數(shù)對(duì)比
 

另外，納米顆粒吸附不同于免疫親和法，對(duì)一些沒(méi)有商業(yè)化試劑盒無(wú)法有效進(jìn)行高豐度去除的物種樣本也表現(xiàn)出良好的處理效果，可以擺脫去除高豐度蛋白試劑盒對(duì)物種的限制，以下為部分項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)展示（如下圖）。