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质谱流式细胞仪简介质谱流式细胞仪简介质谱流式细胞仪简介质谱流式细胞仪简介 科学实验中心三部张莹 从一个“连连看”游戏说起 Tips： NBA球星的面貌各不相同，准确分辨 他们是制胜的关键！ 四个参数：肤色、发型、脸型、发色 They are all different! 两个参数：肤色、发型 只能识别出五类人： 黑，带头箍黑，短发 黄，长发白，短发白，长发 表面：不同的标志蛋白（CD分子） 内部：不同的信号分子、效应分子 细胞的特征： 单细胞技术在近年来的发 展迅速，随着单细胞测序、单 细胞转录组等技术的不断发 展，人类从DNA、RNA的水平 深入了解了细胞群体异质性 在蛋白质水平，流式一直是最为常用的单细胞 分析手段但是由于串色等问题的困扰，流式通常 只能进行十余种蛋白的同时检测质谱流式技术的 出现给研究者带来了惊喜 质谱流式细胞技术质谱流式细胞技术质谱流式细胞技术质谱流式细胞技术 （Mass Cytometry） 质谱流式细胞技术是利用质谱原理对单 细胞进行多参数检测的流式技术它继承了 传统流式细胞仪的高速分析的特点，又具有 质谱检测的高分辨能力，是流式细胞技术一 个新的发展方向。

传统的流式技术主要基于对荧光发射光 谱的检测，但是荧光基团发射光谱一般比 较宽，其间往往会发生重叠一方面限制 了检测通道的数量（<20个）；另一方面， 它会带来严重的串色问题，很多通道的信 号需要复杂的补偿计算 荧光信号的交叠限制了 荧光通道的数量增长 与传统流式细胞技术相比，质谱流式技术主要有 两点改进： 第一、标签系统的不同，前者主要使用各种荧光基团作 为抗体的标签，后者则使用各种金属元素作为标签； 第二、检测系统的不同，前者使用激光器和光电倍增管 作为检测手段，而后者使用ICP质谱技术作为检测手段 通过这些改进，质谱流式技术巧妙的实现了更 多参数的检测 质谱流式细胞仪原理 质谱流式细胞仪的原理如下图所示，它采用金属元素标记物（通常是金属元 素标记的特异抗体或者染料）标记或识别细胞表面和内部的信号分子，然后用流 式细胞原理分离单个细胞，再用感应耦合等离子质谱（ICP-MS）观察单个细胞的 原子质量谱，最后将原子质量谱的数据转换为细胞表面和内部的信号分子数据， 并通过专业分析软件对获得的数据进行分析，从而实现对细胞表型和信号网络的 精细观察 技术特点 由于利用ICP质谱作为检测手段，与传统流式细 胞技术相比，质谱流式细胞技术具有以下特点： 1、上百个独立的检测通道 质谱流式细胞仪中的ICP质谱装置具有非常宽的原子量检测范围（88 210Da），因此可以对单个细胞同时检测上百个不同的参数。

标记元素的条件： 1、无放射性 2、生物样品中含量低 2、全新概念的金属标签 ?金属标记物与细胞的非特异结合极弱 ?用来标记的金属元素在细胞中含量极低，背景极低 ?目前用来标记抗体的金属标签有30多种，随着技术进步，更多元素可 以用来作为标签，种类会进一步增加 仅镧系金属就可以 提供32种标记物 3、通道间无干扰，无需补偿计算 CyTOF2质谱流式细胞仪 相邻通道间影响大约0.3%，基本可以忽略不计 ? 无需各通道单染对照，节约样品； ? 不需要计算补偿； 传统荧光流式细胞仪 发射光谱重叠严重 需要各通道单染对照，样品 消耗量大； 需要复杂的补偿计算； ICP质谱具有超高的分辨能力，可以完全区分用来标记的各种元素实验数据表 明，相邻通道间的干扰<0.3%，基本可以忽略不计，无需计算补偿这样不仅使 实验流程得到简化，也节约了标本和试剂 PE PE-Cy5 APC PE-Cy7 Alexa Fluor 647 PerCP-Cy5.5 Alexa Fluor 488 FITC BD Horizon V450 Pacific Blue Alexa Fluor 700 PerCP APC-Cy7 AmCyan BD Horizon V500 BD APC-H7 4、高灵敏度和高稳定性 高灵敏度：检测到500个抗体分子，各通道具有相似的灵敏度 高稳定性：不同时间对同一样品检测结果CV值<3% 荧光流式细胞仪通道间灵敏度相差很大 250 200 150 100 50 0 CyTOF2流式细胞仪通道间灵敏度相差较小 稳定性好，结果具有很好的重复性 5、多元化的数据分析方法 质谱流式细胞仪通道数量 的激增带来信息量的成倍增长。

传统的流式分析方法已经不能 完全满足需要，所以需要对数 据进行各种降维处理，提取出 其中包含的有用的生物学信息 常用的分析方法有：SPADE、 PCA、viSNE以及Gemstone等 PCA Signaling Network Heatmap SPADE viSNE 产品应用 质谱流式细胞技术可以实现对细胞群体进行精准 的免疫分型，对细胞内信号传导网络进行全面的分 析，分析细胞亚群之间的功能联系，以及对于大量样 品的高通量多参数检测在造血、免疫、干细胞、癌 症以及药物筛选等多个领域的研究有着广泛的应用前 景 （1）对骨髓细胞的分析 斯坦福大学Nolan实验室，利用31通道的检测对骨髓样品进行分析整个 细胞群体被分为分成约30个亚群，并对各群细胞中的18个信号通路分子进 行分析通过对13个核心表面抗原和18个辅助抗原表达情况的分析，对人 骨髓细胞群进行高精度的分型，全景展示了骨髓各系不同分化阶段细胞的 具体组成 上图显示的是CyTOF对人骨髓细胞的分型，圆圈的 大小表示各群细胞所占的比例，颜色反映CD45RA在相 应群体中的表达水平 观察 （2）T细胞成熟过程分析 计算机利用不同算法对流式 数据进行降维、归纳 细胞按照表型、功能的 不同自动聚群、归类 寻找新的细胞亚群、 Marker 分析未知的细胞 群体 观察已知细胞亚群之间 的内在联系 结合生物信息学对质谱流式数据进 行数据挖掘，可以使我们了解到更多生 命过程的细节以及细胞群体的异质性。

例如，通过对 CD8+T细胞25个表面、 功能标志物的表达数据进行PCA处理， 自动聚集成四个相连的细胞群，形象的 说明了T细胞从原始的Naive T细胞到效 应T细胞的整个成熟过程 （3）药物筛选 由于标签种类丰富，该技术还 可以广泛的应用到各种筛选实验 中，例如抗原决定簇的筛选、药物 筛选等也正是由于其强大的数据 获取能力，它甚至可以成为单细胞 蛋白质组学研究的得力工具 左图为Nature子刊封面文章，通过 高通量的流式分析进行药物筛选 混合96个不同的样本组合标记各孔细胞 标记感兴 趣的蛋白 CyTOF2 流式检测 （4）高通量处理大数量样本 结合MCB（mass-tag cellular barcoding）技术，CyTOF2细胞仪可以一次检 测96个不同的样品这种高通量的数据获取功能为药物筛选提供了便利 高通量流式检测 根据标记组合追溯 每个细胞来源 MCB的优点 增加样本通量 减少抗体消耗 保证分析均一 发展现状发展现状发展现状发展现状 2011年Nature Methods将其评为“最受关 注的单细胞技术”；同年，该技术被美国科学家 杂志评为年度10大科学创新；该技术的专利拥 有者DVS Science公司刚刚被加拿大LSO组织授 予2014年度最佳生命科学公司的称号。

目前，质谱流式技术还处于起步阶段，美国DVS Sciences公司研发的质谱流式细胞仪已经发展到第二代， 即CyTOF2 质谱流式细胞仪（CyTOF2 Mass Cytometer） 截至2013年9月，在国外质谱流式细胞仪的装机量已 经达到50余台；而在国内，质谱流式这项技术已经由东 胜创新的技术人员积极普及中 2014年3月18日，在厦 门大学细胞应激生物学国家重点实验室，中国首台 CyTOF 2质谱流式细胞仪正式安装调试 CyTOF2流式细胞仪 。