近年來(lái)，空間組學(xué)技術(shù)成為解析組織異質(zhì)性和復(fù)雜細(xì)胞相互作用的重要工具。尤其是，空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)在胚胎發(fā)育、神經(jīng)科學(xué)和疾病機(jī)制研究中展現(xiàn)出潛力。作為直接執(zhí)行生物功能的核心分子，蛋白質(zhì)的空間分布研究在技術(shù)上面臨挑戰(zhàn)。現(xiàn)有空間蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)受限于質(zhì)譜檢測(cè)通量和高昂成本，難以兼顧高分辨率與大面積組織分析需求，限制了其在復(fù)雜組織研究中的應(yīng)用。
1月23日，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所趙方慶團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》（Cell）上發(fā)表了題為High-resolution spatially resolved proteomics of complex tissues based on microfluidics and transfer learning的研究論文。該研究提出了全新的空間蛋白組學(xué)技術(shù)框架——PLATO，通過(guò)整合人工智能深度學(xué)習(xí)算法與微流控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全組織切片水平的高分辨率空間蛋白質(zhì)組檢測(cè)（25微米分辨率，數(shù)千個(gè)蛋白），突破了高通量原位組學(xué)技術(shù)瓶頸。
現(xiàn)有空間蛋白質(zhì)組方法主要依賴抗體染色或質(zhì)譜技術(shù)。前者因靶標(biāo)數(shù)量有限，僅能檢測(cè)幾十至幾百種蛋白分子；后者檢測(cè)種類(lèi)豐富，但逐點(diǎn)取樣方式增加了實(shí)驗(yàn)成本和規(guī)模。
PLATO在斷層掃描成像的重構(gòu)原理中汲取靈感，通過(guò)降維后的平行流投影與深度學(xué)習(xí)算法Flow2Spatial相結(jié)合，重構(gòu)出蛋白質(zhì)的高分辨率空間分布。Flow2Spatial運(yùn)用自編碼器模型，將平行流投影的實(shí)驗(yàn)過(guò)程模擬為“降維編碼”，并通過(guò)整合其他空間組學(xué)數(shù)據(jù)如組織學(xué)染色、空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)等，對(duì)蛋白質(zhì)空間分布進(jìn)行高精度“升維解碼”。這一原創(chuàng)算法突破了傳統(tǒng)技術(shù)難以獲取空間信息的限制，提高了空間蛋白質(zhì)組的覆蓋度和分辨率，為解析其他組學(xué)分子的空間分布提供了新方案。
在原位采樣方面，PLATO結(jié)合微流控技術(shù)，開(kāi)發(fā)了高通量、低成本的靈活采樣平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)25微米至100微米分辨率范圍內(nèi)進(jìn)行精確采樣。相比于傳統(tǒng)方法，PLATO通過(guò)并行原位采樣提高了實(shí)驗(yàn)效率，降低了對(duì)復(fù)雜昂貴設(shè)備的依賴，使得這一技術(shù)更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，為復(fù)雜組織的高分辨率空間解析提供了可靠工具。
該研究通過(guò)計(jì)算模擬、顯微切割和免疫熒光驗(yàn)證了PLATO的高精確性。結(jié)果顯示，PLATO能夠準(zhǔn)確重構(gòu)組織切片中蛋白分子的空間分布，空間分辨率最高達(dá)25微米。同時(shí)，針對(duì)不同類(lèi)型樣本如冰凍切片和FFPE組織，分別建立了實(shí)驗(yàn)流程，證明了PLATO在多種組織類(lèi)型中的適用性。進(jìn)一步，研究對(duì)小鼠腦組織、腸道絨毛和乳腺癌等復(fù)雜組織進(jìn)行高分辨率蛋白質(zhì)空間分布解析，驗(yàn)證了其在不同應(yīng)用場(chǎng)景和研究方向中的潛力，為揭示蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)分布和探究復(fù)雜生物過(guò)程的分子機(jī)制提供了支持。
PLATO深度融合了人工智能算法、微流控和質(zhì)譜技術(shù)，隨著技術(shù)迭代創(chuàng)新，有望成為推動(dòng)生命科學(xué)研究的重要工具。
研究工作得到國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和北京市自然科學(xué)基金等的支持。
論文鏈接
基于深度學(xué)習(xí)算法的蛋白質(zhì)空間分布重構(gòu)流程圖
PLATO的微流控芯片裝置圖和原位采樣結(jié)果
本文鏈接：科研人員建立人工智能驅(qū)動(dòng)的空間蛋白質(zhì)組學(xué)新技術(shù)http://m.lensthegame.com/show-12-678-0.html
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