通過丹(dan)磺酰基(ji)化(Dansylation-based)測定(ding)法對基(ji)于質(zhi)譜的(de)蛋(dan)白質(zhi)組學(xue)和代謝組學(xue)的(de)器官(guan)芯片樣本進行(xing)歸一(yi)化
本(ben)文亮點
本文介(jie)紹了美國(guo)國(guo)家科學(xue)院發(fa)表(biao)的(de)一(yi)篇使用(yong)CN-Bio的(de)肝臟芯片系(xi)統對 VX(一(yi)種(zhong)極度危(wei)險的(de)神(shen)經(jing)毒劑,化學(xue)戰毒劑)進(jin)行代(dai)謝組學(xue)研(yan)究(jiu)。該研(yan)究(jiu)團隊用(yong)一(yi)種(zhong)基于丹磺酰的(de)測定方法,結合部分標記代(dai)謝物,允許在采集前進(jin)行歸一(yi)化,更好地關聯器官芯片平臺中(zhong)真正發(fa)生的(de)生物學(xue)擾動(dong)。
前言
芯(xin)片實(shi)驗技(ji)術(shu)已經(jing)迅速發展,并(bing)且通(tong)過使用(yong)基于質譜的多組學分(fen)析,這種技(ji)術(shu)變得更加強(qiang)大(da)。這種分(fen)析非常(chang)適合芯(xin)片實(shi)驗格式的樣本有限的特性。在我們(men)的研究中,器(qi)官芯(xin)片技(ji)術(shu)使我們(men)能夠在不使用(yong)模型生物的情況下實(shi)現高通(tong)量實(shi)驗,同時允許我們(men)關注器(qi)官和(he)亞(ya)器(qi)官系統。
然而,這些器(qi)官芯片平臺的(de)(de)一個(ge)常見問(wen)題(ti)是由(you)于(yu)諸如(ru)板邊(bian)效應(ying)、細胞(bao)不(bu)同(tong)步(bu)、流出(chu)液流等因素導致(zhi)蛋白質組和(he)代謝組在不(bu)同(tong)孔(kong)之間(jian)或不(bu)同(tong)芯片之間(jian)的(de)(de)變異性,這會導致(zhi)樣(yang)本的(de)(de)多組學定(ding)量分析具有(you)高度(du)的(de)(de)變異性,可能掩蓋了系統(tong)內(nei)真正的(de)(de)生物學變化。雖然通過增(zeng)加樣(yang)本數(shu)(N)可以克(ke)服這種變異性,但這樣(yang)做也會增(zeng)加成本和(he)人力。我(wo)們反而尋求改進(jin)我(wo)們的(de)(de)歸一化方法來規避這個(ge)問(wen)題(ti)。
在這里(li),我(wo)(wo)們利用英(ying)國(guo)器(qi)官(guan)芯(xin)片(pian)供應(ying)(ying)商(shang)CN-Bio的(de)(de)(de)肝臟芯(xin)片(pian)來研究 VX(一(yi)種(zhong)極度危險的(de)(de)(de)神(shen)經毒劑,化(hua)(hua)學戰毒劑)暴露(lu)后(hou)的(de)(de)(de)作用機制、毒性(xing)和(he)宿主(zhu)反(fan)應(ying)(ying)。為了(le)對抗芯(xin)片(pian)間的(de)(de)(de)變(bian)(bian)異,我(wo)(wo)們開發了(le)一(yi)種(zhong)分析(xi)和(he)歸一(yi)化(hua)(hua)CN-Bio肝臟芯(xin)片(pian)的(de)(de)(de)方法,利用Dansylation和(he)BCA測定實(shi)現代(dai)謝(xie)組(zu)和(he)蛋(dan)白(bai)質(zhi)組(zu)的(de)(de)(de)歸一(yi)化(hua)(hua)。這種(zhong)策(ce)略導致了(le)變(bian)(bian)異效(xiao)應(ying)(ying)的(de)(de)(de)減(jian)少(shao),使我(wo)(wo)們能夠得出更有統(tong)計信(xin)心(xin)的(de)(de)(de)結(jie)論,并觀察(cha)到(dao)(dao)由實(shi)驗條件而非系統(tong)性(xing)芯(xin)片(pian)間變(bian)(bian)異引(yin)起的(de)(de)(de)趨勢。這種(zhong)方法可以很(hen)容易(yi)地(di)擴(kuo)展到(dao)(dao)其他器(qi)官(guan)芯(xin)片(pian)的(de)(de)(de)組(zu)學分析(xi)。
研究方法
如(ru)上(shang)概述圖
1、細胞(bao)培養。
人肝細胞被(bei)培養在(zai)CN-Bio(CN Bio Innovations Ltd)的(de)肝臟器官芯片(pian)系統(tong)上(shang),并暴露(lu)于20μM VX,同時(shi)還(huan)有未暴露(lu)的(de)對照組(zu)。歸一(yi)化的(de)樣(yang)本(ben)組(zu)進行了(le)測定(ding),而未經(jing)歸一(yi)化的(de)樣(yang)本(ben)組(zu)經(jing)歷了(le)相(xiang)同的(de)樣(yang)本(ben)制備,但(dan)沒有使(shi)用測定(ding)定(ding)量。
2、采集前歸一(yi)化。
2圖左:BCA和肽(tai)酶測定(ding)(BCA & Peptide Assay)。蛋白質從代謝組分(fen)離出來(lai),進行了消化(hua)前(qian)和消化(hua)后的測定(ding),然后根(gen)據(ju)測定(ding)結果進行了歸一化(hua)處(chu)理。
2圖右:丹磺(huang)酰化(hua)(hua)測定(Dansylation Assay)。代(dai)謝組分被(bei)丹磺(huang)氯化(hua)(hua)物標(biao)記,并(bing)根據標(biao)準曲線(xian)進行測定,然后進行了歸(gui)一(yi)化(hua)(hua)處理以使其與(yu)濃度最(zui)低的樣本一(yi)致(zhi)。
3、質譜分析(xi)。
經過(guo)歸(gui)一化(hua)和(he)未歸(gui)一化(hua)的樣本(ben)集在Thermo Eclipse質(zhi)(zhi)譜儀上進(jin)行了(le)分析,使(shi)用了(le)FAIMS接口(kou)以正模(mo)(mo)式(shi)(用于(yu)蛋(dan)白質(zhi)(zhi)組(zu)學),或者(zhe)在Thermo QExactive Plus Orbitrap質(zhi)(zhi)譜儀上進(jin)行了(le)分析,包括反相正離子和(he)負離子模(mo)(mo)式(shi)以及HILIC正離子和(he)負離子模(mo)(mo)式(shi)(用于(yu)代謝組(zu)學)。
4、統計分析和(he)Joint Pathway分析。
來自(zi)歸一化(hua)和未歸一化(hua)數據(ju)集(ji)(ji)的蛋(dan)白質(zhi)和化(hua)合物經(jing)過篩(shai)選,篩(shai)選條件是校正(zheng)p值 ≤ 0.05。篩(shai)選后的數據(ju)被輸入到Metaboanalyst的聯合途徑(jing)分析(xi)中,采用(yong)Fisher’s Exact Test用(yong)于富集(ji)(ji)分析(xi)。
結果與討論
1、正離子模式質譜中反相色譜的變異系數。
圖1:A) 未歸一(yi)(yi)化(紅色(se))和歸一(yi)(yi)化(藍色(se))對照樣本(ben)的疊(die)加(jia),以及B) 未歸一(yi)(yi)化(紅色(se))和歸一(yi)(yi)化(藍色(se))VX暴露樣本(ben)的疊(die)加(jia)。兩個(ge)圖表中的曲線(xian)都是密度線(xian)。
2、反相正離子模(mo)式特(te)征的疊加,這些(xie)特(te)征被確定為顯(xian)著(p值≤0.05)。
圖(tu)2:曲線是密(mi)度線
3、反相(xiang)正離(li)子模式下,由于歸一化而產(chan)生不同結果的選定代謝物(wu)的箱線圖。
圖(tu) 3:A) 未(wei)歸(gui)(gui)一(yi)化(hua)(hua)和(he)歸(gui)(gui)一(yi)化(hua)(hua)樣本(ben)(ben)(ben)中的(de)(de)1,3-二(er)甲基丁基胺,B) 未(wei)歸(gui)(gui)一(yi)化(hua)(hua)和(he)歸(gui)(gui)一(yi)化(hua)(hua)樣本(ben)(ben)(ben)中的(de)(de)L-谷氨酸(suan),C) 僅在未(wei)歸(gui)(gui)一(yi)化(hua)(hua)樣本(ben)(ben)(ben)中的(de)(de)1,3-二(er)甲基丁基胺,D) 僅在歸(gui)(gui)一(yi)化(hua)(hua)樣本(ben)(ben)(ben)中的(de)(de)1,3-二(er)甲基丁基胺。
4、對被定義為顯著的蛋白(bai)質組(zu)學(xue)和代謝組(zu)學(xue)數據(調整后的p值≤0.05)進行Joint Pathway分析。包括未歸一化(A)和歸一化(B)樣(yang)本。歸一化樣(yang)本結果顯示(shi),有更多與VX暴露(lu)生(sheng)物學(xue)相關的通路顯著富集。
結論
器官芯片(pian)系統允許更(geng)(geng)精確地理解(jie)毒素、環(huan)境危(wei)害或潛在藥物對細胞(bao)力學的影(ying)響,可以(yi)以(yi)更(geng)(geng)經濟、更(geng)(geng)高通量的方(fang)式實現。然(ran)而(er),為了從這些樣本中獲(huo)得更(geng)(geng)確定的結(jie)果(guo),應該(gai)采用歸一化策略。
在(zai)采集數據之前對代(dai)謝組樣(yang)本進(jin)行歸一化處理(li),使對照樣(yang)本在(zai) 0-50 范(fan)圍內的(de) CV 值降低(di)了兩(liang)倍多。這(zhe)樣(yang)就能(neng)鑒定(ding)出(chu)變化更明(ming)(ming)顯的(de)代(dai)謝物,從而闡明(ming)(ming)受 VX 暴露影(ying)響的(de)代(dai)謝途徑。同(tong)樣(yang),歸一化蛋白質(zhi)組樣(yang)本也(ye)鑒定(ding)出(chu)了與受 VX 影(ying)響的(de)生化功能(neng)相關的(de)蛋白質(zhi)。
最后,當(dang)歸(gui)一(yi)(yi)(yi)化的(de)蛋白質組(zu)和代(dai)謝(xie)組(zu)數據(ju)結合在(zai)一(yi)(yi)(yi)起(qi)時,VX 暴露更準確(que)的(de)圖譜就會出現,Joint Pathway富集(ji)就證(zheng)明(ming)了(le)這(zhe)一(yi)(yi)(yi)點。在(zai)歸(gui)一(yi)(yi)(yi)化數據(ju)集(ji)中(zhong),超過 80 條通路被確(que)定為具有重(zhong)(zhong)要意義,這(zhe)表明(ming) VX 對(dui)細(xi)胞群的(de)影響(xiang)更具特(te)異(yi)性(xing),而(er)不是在(zai)非歸(gui)一(yi)(yi)(yi)化數據(ju)中(zhong)被認為具有重(zhong)(zhong)要意義的(de)非特(te)異(yi)性(xing)系統。
參考文獻
1.Erin M. Gallagher, Gabrielle M. Rizzo, Russell Dorsey, Elizabeth S. Dhummakupt, Theodore S. Moran, Phillip M. Mach, Conor C.Jenkins,Normalization of organ-on-a-Chip samples for mass spectrometry based proteomics and metabolomics via Dansylation-based assay,Toxicology in Vitro,Volume 88,2023,105540,ISSN 0887-2333,//doi.org/10.1016/j.tiv.2022.105540.
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