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)化競爭使蛋白質(zhì)電暈動態(tài)的全面表征和蛋白質(zhì)組的深度覆蓋成為可能研究對象：血漿發(fā)表期刊：Advanced materials影響因子：32.086發(fā)表時間：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)組的動態(tài)范圍很廣，橫跨10個數(shù)量級，有數(shù)百萬種獨(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電暈的形成動力學(xué)，作者設(shè)計、表征和比較了不同的NP，并進(jìn)行了自動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)行了振動樣品磁力測量（VSM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線光電子能譜（XPS）、動態(tài)光散射（DLS）和ZETA電位測量，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)合競爭之間的關(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）。在這個實(shí)驗(yàn)中，使用Proteograph Product Suite對蛋白質(zhì)冠狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全自動分離和處理。

 

通過捕獲離子遷移的LC-MS/MS管道（timsTOF-Pro）對肽段進(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截斷值對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終在所研究的5個NPs中產(chǎn)生2081個蛋白質(zhì)和14194個肽段（1918個蛋白和12747肽段分別在至少一個測試條件的所有重復(fù)中被一致識別）。

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

為了測試蛋白質(zhì)識別性能的提高是否能轉(zhuǎn)化為對臨床相關(guān)蛋白質(zhì)的更好檢測，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）。

 

為了估計用NPs對低豐度血漿蛋白質(zhì)組進(jìn)行可重復(fù)和大規(guī)模訪問的效用，作者從豐度高的500個蛋白質(zhì)(圖3D)中的生物標(biāo)志物頻率外推預(yù)測生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)潛力。

 

從這個分析中，估計在接下來的1500個低豐度蛋白中可以發(fā)現(xiàn)大約200個額外的蛋白生物標(biāo)志物，這比迄今為止在這個數(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-電暈動力學(xué)建模

為了深入了解電暈形成的動態(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P/NP比例的蛋白質(zhì)電暈形成時間過程數(shù)據(jù)（10分鐘、30分鐘、1、2、17小時，圖4A），測量了534個樣品中3184個單獨(dú)蛋白質(zhì)組的強(qiáng)度，并使用UMAP方法來概述每個條件下電暈蛋白強(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)性和在所有探測的實(shí)驗(yàn)條件下蛋白質(zhì)電暈形成的精確度。

 

通過使用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，但它們在整個蛋白質(zhì)組的相互作用的動態(tài)是由共同的機(jī)制決定的。

 

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

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

 

研究結(jié)論

當(dāng)暴露在生物基質(zhì)中時，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)時間也會影響納米粒的冠層組成、藥代動力學(xué)和動力學(xué)。

 

因此，納米工程，基于全面無偏質(zhì)譜的電暈成分動力學(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

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

證明了通過限制NP的表面積來調(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)譜掃描模式對血液中低豐度蛋白進(jìn)行無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。基于最權(quán)威的SwissProt reviewed非冗余數(shù)據(jù)庫+Spectronaut Pulsar 16分析軟件進(jìn)行搜庫定性定量分析獲得高質(zhì)量的定性定量結(jié)果，部分測試數(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)對比
 

另外，納米顆粒吸附不同于免疫親和法，對一些沒有商業(yè)化試劑盒無法有效進(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物種的限制，以下為部分項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)展示（如下圖）。