本方案概述了一种全面的质谱流式细胞术(飞行时间质谱流式细胞术 [CyTOF])分析方法,用于评估肝细胞癌(HCC)中的全身性及局部免疫应答。该方法旨在揭示HCC的免疫图谱,深入理解肿瘤微环境及其相关的免疫机制。
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本方案概述了一种全面的质谱流式细胞术(飞行时间质谱流式细胞术 [CyTOF])分析方法,用于评估肝细胞癌(HCC)中的全身性及局部免疫应答。该方法旨在揭示HCC的免疫图谱,深入理解肿瘤微环境及其相关的免疫机制。
肝细胞癌(HCC)是全球最常见且致死率最高的肝癌类型之一。尽管治疗手段不断进步,但由于遗传、环境和免疫因素之间复杂的相互作用推动了疾病进展,HCC患者的预后仍然较差。了解HCC的免疫图谱对于开发有效的治疗策略至关重要,尤其是在免疫治疗领域,该领域在改善患者预后方面具有巨大潜力。本研究采用质谱流式细胞术(飞行时间质谱流式细胞术 [CyTOF])技术,研究HCC患者体内的全身性及局部免疫应答。通过分析外周血和肿瘤样本,旨在鉴定与HCC进展相关的独特免疫细胞亚群及其功能状态。研究结果全面揭示了HCC中的免疫微环境特征,突出了潜在的生物标志物和治疗靶点。该方法为深入理解HCC背后的免疫机制提供了宝贵见解,并为开发更有效的免疫疗法奠定了基础。
肝细胞癌(HCC)是最常见的原发性肝癌,由于其高发病率和高死亡率,已成为一个重要的全球健康问题1。根据世界卫生组织的数据,HCC在全球范围内是第五大常见癌症,也是癌症相关死亡的第二大原因2。该疾病在乙型和丙型肝炎慢性感染率较高的地区尤为普遍,例如东亚和撒哈拉以南非洲3。主要危险因素包括病毒性肝炎、肝硬化和代谢综合征4。HCC需要长期治疗,给患者带来巨大的身体和经济负担,因此迫切需要有效的预防措施、早期检测手段以及创新的治疗策略5。
免疫系统在肝细胞癌(HCC)的发生发展中起着关键作用。肝脏是一个具有高度免疫活性的器官,富含多种免疫细胞,包括肝脏定居的巨噬细胞、自然杀伤(NK)细胞和T细胞,这些细胞对于监测和清除异常细胞至关重要6。然而,HCC可通过表达免疫抑制分子、募集免疫抑制性细胞以及改变肿瘤微环境来逃避免疫监视7,8。这种免疫逃逸不仅促进肿瘤的生长和转移,还影响机体对免疫治疗的反应9,10。
肿瘤微环境中的全身性与局部免疫反应是影响癌症进展和治疗效果的关键因素。全身性免疫反应涉及能够识别并攻击远处肿瘤细胞的循环免疫细胞,例如可靶向全身各处肿瘤细胞的外周T细胞、自然杀伤细胞(NK细胞)和单核细胞。局部免疫反应则聚焦于肿瘤微环境内的免疫细胞活动,包括肿瘤浸润性淋巴细胞(TILs)、肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)和调节性T细胞(Tregs)。其中,TILs通常对肿瘤细胞发挥细胞毒性作用,而TAMs和Tregs通常促进形成具有免疫抑制特性的微环境,从而支持肿瘤生长11,12。肿瘤细胞和基质细胞可重塑肿瘤微环境,以促进免疫抑制并逃避免疫监视。全身性与局部免疫反应之间的相互作用决定了抗肿瘤免疫的整体有效性11。深入理解这种相互作用有助于开发更有效的免疫治疗策略。
传统的流式细胞术和免疫组织化学技术虽然在免疫学研究中被广泛应用,但在分析复杂的免疫微环境时存在显著局限性,因其无法进行全面且高维度的分析。流式细胞术在单细胞水平上检测表面标志物和功能标志物方面具有高度有效性;然而,其同时进行多标志物分析的能力受到限制,通常受限于光谱重叠以及可使用荧光标记数量的实际约束13,14。另一方面,免疫组织化学可提供特定标志物在组织背景中的重要信息,但同样受限于可分析标志物数量有限,以及难以实现可靠、定量且高维度评估的固有困难15。
为了有效表征复杂的免疫环境,高维技术(如质谱流式细胞术,即飞行时间质谱细胞术 [CyTOF])至关重要。质谱流式细胞术是一种先进技术,利用质谱分析单个细胞中的多种蛋白质标志物。它能够在单细胞水平上进行多参数分析,避免了传统流式细胞术中存在的光谱重叠问题16。通过使用金属标记的抗体,该技术可同时检测数十种标志物,从而全面且无偏倚地揭示细胞表型与功能状态17。例如,Gadalla 等人开发了一个包含40多个参数的 CyTOF 检测 panel,用于外周血单个核细胞(PBMC)和肿瘤组织的分析,展示了其在高维免疫表型分析中的优势18。传统的流式细胞术由于可检测参数数量有限,无法识别这些具有独特表型的稀有细胞群体。相比之下,质谱流式细胞术实现了对这些细胞功能状态的全面评估,提供了更详细、更可靠的表征结果。Behbehani 等人利用质谱流式细胞术分析骨髓增生异常综合征(MDS)患者的骨髓样本,成功识别并表征了罕见的异常造血祖细胞18。质谱流式细胞术能够同时检测超过40种表面及胞内标志物,显著提高了对这些低频细胞亚群的检出能力19。这些能力突破了传统技术的局限,为深入理解免疫微环境提供了新的视角,推动了免疫学研究和治疗策略的发展。在单细胞水平上全面解析细胞表型与功能的能力,极大地促进了对免疫学过程的理解,并有助于靶向治疗策略的开发。
质谱流式细胞术通过同时检测多种蛋白质标志物,可全面揭示肝细胞癌(HCC)中系统性和局部的免疫细胞群体。该技术能够区分肿瘤微环境中不同类型的T细胞,例如效应T细胞、调节性T细胞(Tregs)和耗竭T细胞,阐明其在肿瘤进展中的特定作用。利用质谱流式细胞术,研究人员可识别与HCC预后相关的免疫标志物20。例如,程序性死亡蛋白1(PD-1)高表达的T细胞亚群可作为预测患者对免疫检查点抑制剂治疗反应的指标21。此外,该技术有助于发现新的治疗靶点,通过鉴定特定的免疫抑制分子,为个体化治疗策略的制定提供依据。该技术具备多标志物检测能力和单细胞分辨率,特别适用于发现新的治疗靶点并设计联合免疫治疗方案。这一先进方法通过深入解析免疫微环境,推动个体化治疗干预的发展,在改善HCC患者治疗效果方面具有重要意义。
本研究旨在利用质谱流式细胞技术分析肝细胞癌(HCC)患者的全身及局部免疫细胞谱。研究目标包括表征免疫细胞群体,将这些特征与临床结局及治疗反应相关联,并鉴定与HCC预后相关的特异性免疫标志物和细胞亚群。通过阐明各类免疫细胞在治疗反应中的作用,本研究力图为个体化治疗策略提供依据。研究结果有望优化现有的免疫治疗方案,并为开发新的治疗方法提供有价值的见解,最终旨在提高HCC患者的总体生存率和生活质量。
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血液和肝细胞癌样本采集、外周血单个核细胞(PBMCs)分离、单细胞解离及染色的步骤如下所述。实验所用试剂和材料均列于材料表中。所有实验均经浙江大学医学院附属第一医院伦理委员会批准,确保肿瘤样本的采集不影响病理诊断。所有受试者均签署了书面知情同意书。
1. 外周血单个核细胞的分离
2. 肿瘤组织细胞的分离
注意:肿瘤组织细胞的分离方法改编自 Song 等人22。
3. 顺铂染色
4. Fc 受体阻断
5. 膜蛋白抗体的孵育
6. 细胞核蛋白染色
7. 细胞固定
8. 细胞核嵌入染色
9. 细胞悬液的制备
10. 质谱流式细胞术与数据分析
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为了阐明与肝细胞癌(HCC)相关的免疫学特征,本研究对免疫细胞群体进行了全面分析。研究人员收集了4名肝细胞癌患者的配对外周血单个核细胞(PBMCs)及HCC组织样本,并利用两组针对PBMCs和HCC组织样本的抗体组合,通过质谱流式细胞技术在单细胞蛋白质组水平上对免疫细胞群体进行了分析。
质控后,共有 45,326 个细胞被纳入质谱流式细胞分析。采用 PhenoGraph 聚类算法结合 t-SNE 方法生成二维图谱,并将细胞划分为不同的表型。主要免疫细胞亚群根据谱系标志物进行鉴定,包括 CD3(T 细胞)、CD4(CD4+ T 细胞)、CD8(CD8+ T 细胞)、CD56(NK 细胞)、CD19(B 细胞)和 CD14(单核细胞)27,28。免疫细胞簇通过质谱流式细胞技术进行表征。
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本研究利用质谱流式细胞技术,对肝细胞癌(HCC)的全身性及局部免疫应答进行深入分析。在此背景下应用质谱流式技术,能够在单细胞水平同时检测多种标志物,提供详细的免疫表型特征,这对于理解HCC复杂的免疫微环境至关重要。质谱流式技术通过实现高维度的单细胞分析,彻底改变了免疫学研究。该技术采用与抗体偶联的稀有金属同位素标签,可在一次实验中同时测量超过40个参数。这一能力在HCC研究中尤为有利,因为HCC的肿瘤微环境(TME)具有高度的细胞异质性以及复杂的免疫相互作用18,29。
与传统流式细胞术相比,质谱流式细胞术的一个显著优势在于其增强的多重检测能力。传统流式细胞术在使用荧光标记物时受限于光谱重叠问题,而质谱流式细胞术采用金属同位素作为标记,避免了这一限制。因此,可在无需复杂补偿算法的情况下,同时检测更多种类的标记物30。这一能力在肝细胞癌(HCC)研究中至关重要,因为全面分析多种免疫细胞群体及其状态,对于理解肿瘤与免疫系统...
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作者声明不存在利益冲突。
本工作得到中国国家重点研发计划(项目编号 2019YFA0803000,授予 J.S.)、浙江省杰出青年科学基金(项目编号 R22H1610037,授予 J.S.)、国家自然科学基金(项目编号 82173078,授予 J.S.)以及浙江省自然科学基金(项目编号 2022C03037,授予 J.S.)的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1×PBS | HyClone | SH30256.01 | |
| 10×PBS | HyClone | SH30256.01 | |
| 100 mm×20 mm 经组织培养处理的培养皿 | Corning | 430167 | |
| 1000 µL 移液器吸头 | Rainin | 30389218 | |
| 15 mL 离心管 | NEST | 601052 | |
| 200 µL 移液器吸头 | Rainin | 30389241 | |
| 40 µm 尼龙细胞筛/70 µm 尼龙细胞筛 | Falcon | 352340 | |
| 50 mL 离心管 | NEST | 602052 | |
| 70 μm 注射器滤器 | Sangon Biotech | F613462-9001 | |
| 抗人 CCR2 抗体(克隆:K036C2) | BioLegend | 357224 | |
| 抗人 CCR3 抗体(克隆:5E8) | BioLegend | 310724 | |
| 抗人 CCR7 抗体(克隆:G043H7) | BioLegend | 353240 | |
| 抗人 CD103 抗体(克隆:Ber-ACT8) | BioLegend | 350202 | |
| 抗人 CD115 抗体(克隆:9-4D2-1E4) | BioLegend | 347314 | |
| 抗人 CD117 抗体(克隆:104D2) | BioLegend | 313201 | |
| 抗人 CD11b 抗体(克隆:1CRF44) | BD | 562721 | |
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| 抗人 CD13 抗体(克隆:WM19) | BioLegend | 301701 | |
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| 抗人 CD141 抗体(克隆:M80) | BioLegend | 344102 | |
| 抗人 CD15 抗体(克隆:QA19A61) | BioLegend | 376302 | |
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| 抗人 PD1 抗体(克隆:EH12.2H7) | BioLegend | 329951 | |
| 抗人 PDL1 抗体(克隆:MIH2) | BioLegend | 393602 | |
| 抗人 TCR-γδ 抗体(克隆:B1) | BD | 740415 | |
| 细胞冻存液 | Thermo Fisher | A2644601 | |
| Cell-ID 铂试剂 | Standard BioTools | 201064 | |
| Cell-ID 铱嵌入剂 | Standard BioTools | 201192A | |
| IV 型胶原酶 | Gibco | 17104019 | |
| 恒温振荡器 | FAITHFUL | FS-50B | |
| CyTOF 系统 | Fluidigm Corporation | Helios | |
| Cytosplore | Cytosplore Consortium | 2.3.1 | |
| Dispase II | Gibco | 17105041 | |
| DNase I | Merck | DN25 | |
| Eppendorf 离心机 | Eppendorf | 5702 | |
| EQ 四元素校准微球 | Standard BioTools | 201078 | |
| FBS | Gibco | 16000-044 | |
| Ficoll-Paque | Cytiva | 17-1440-02 | |
| Finnpipette | Thermo Scientific | 4700870 | |
| 固定缓冲液 | Thermo Scientific | FB001 | |
| FlowJo | BD Life Sciences | 10.1 | |
| 甲醛溶液 | Thermo Scientific | 28906 | |
| 颗粒酶 B 抗体,抗人/小鼠(克隆:QA16A02) | BioLegend | 396413 | |
| 肝素抗凝管 | BD | 367874 | |
| 人 BD Fc 封闭液 2.5 mg/mL | BD | 564220 | |
| MACS 组织保存液 | Miltenyi | 130-100-008 | |
| Maxpar 固定与破膜缓冲液 | Standard BioTools | 201067 | |
| Maxpar 金属偶联抗体 | Standard BioTools | Various | |
| Maxpar PBS | Standard BioTools | 201058 | |
| Maxpar 水 | Standard BioTools | 201069 | |
| Maxpar 细胞染色缓冲液 | Standard BioTools | 201068 | |
| 金属偶联抗人 α-SMA 抗体(克隆:1A4) | Miltenyi Biotec | 130-098-145 | |
| Percoll | Merck | P4937-500ML | |
| 破膜缓冲液 | Thermo Scientific | 00833356 | |
| 红细胞裂解液 | BD | 555899 | |
| 冷冻离心机 | Eppendorf | 5910ri | |
| RPMI 1640 培养基 | GE HealthCare | SH30027.0 | |
| 手术刀 | APPLYGEN | TB6298-1 | |
| 无菌巴斯德移液管 | ZDAN | ZD-H03 | |
| 组织消化液 | Yeasen Biotech | 41423ES30 | |
| 调谐液 | Standard BioTools | 201072 | |
| 涡旋混合器 | Thermo Scientific | 88882012 |
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