本方案利用激光显微切割技术,成功从胶质瘤样本中制备出足量高质量的新生血管组织,用于肿瘤血管生成的定量蛋白质组学分析,克服了传统研究主要集中于血管生成因子的局限性,提供了胶质瘤血管生成的大规模蛋白质组学图谱。
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本方案利用激光显微切割技术,成功从胶质瘤样本中制备出足量高质量的新生血管组织,用于肿瘤血管生成的定量蛋白质组学分析,克服了传统研究主要集中于血管生成因子的局限性,提供了胶质瘤血管生成的大规模蛋白质组学图谱。
胶质瘤是中枢神经系统中发病率和死亡率均较高的原发性恶性肿瘤。肿瘤血管生成是胶质瘤病理生理学的标志性特征,也是肿瘤微环境中的重要事件。肿瘤新生血管结构异常,具有双重作用:既为肿瘤提供营养供应,又作为转移门户,使肿瘤细胞侵入血液循环。抗血管生成治疗是癌症研究领域的热点。以往大多数研究集中于肿瘤血管生成的激活因子与抑制因子,但这仅在有限范围内阐明了肿瘤血管生成机制。异常的蛋白表达或翻译后修饰导致胶质瘤中血管形态异常。本实验方案采用激光捕获显微切割技术(LCM),从胶质瘤组织中分离并纯化足量的新生血管组织,用于同位素标记定量蛋白质组学分析,以鉴定胶质瘤新生血管组织与对照组之间差异表达的蛋白质。这些数据为阐明肿瘤血管生成的病理机制、发现抗血管生成治疗靶点以及构建基于肿瘤血管生成的生物标志物提供了重要的科学依据。
胶质瘤是一类高度异质性的中枢神经系统(CNS)肿瘤,起源于为神经元提供结构和代谢支持的胶质细胞1,组织学上可分为星形细胞瘤、少突胶质细胞瘤和室管膜瘤等亚型2。根据世界卫生组织(WHO)分级系统,胶质瘤Ⅰ级和Ⅱ级属于低级别胶质瘤(LGG),通常表现为生长缓慢、具有潜在的长期稳定性,且根据解剖位置的不同,常可进行手术切除。相比之下,Ⅲ级和Ⅳ级属于高级别胶质瘤(HGG),以未分化、恶性程度高为特征,具有高度侵袭性行为和不良预后3。目前的治疗手段仍然有限且疗效不佳;尽管最大程度的安全切除联合术后放疗/化疗可在一定程度上改善预后,但由于肿瘤呈弥漫性浸润性生长且边界不清,难以实现根治性切除,因此仍存在显著的治疗局限性和毒性反应4,5。人类胶质瘤,尤其是高级别胶质瘤,是高度血管化的恶性肿瘤,其生长、增殖和侵袭过程高度依赖于异常的新生血管形成,这是胶质瘤恶性表型的关键特征之一6,7。靶向肿瘤血管生成的研究在实现治疗突破方面具有重要的科学意义。
血管生成本质上涉及内皮细胞在特定刺激下的增殖、迁移和分化,相关研究主要集中在调控因子上:(i)诱导因子,包括血管内皮生长因子(VEGF)8、血管素(VASN)9、缺氧诱导因子1(HIF1)10、转化生长因子β(TGF-β)11、内皮素(endocan)12、血小板源性生长因子(PDGF)13和表皮生长因子(EGF)14;以及(ii)抑制因子,包括血管抑素(angiostatin)15、内皮抑素(endostatin)16、血小板活化因子受体-1(TSP-1)17和金属蛋白酶组织抑制剂(TIMPs)18。在I/II/III期脑肿瘤临床试验中,大多数抗血管生成药物靶向VEGF信号通路,因其在血管生成中起核心作用,例如贝伐珠单抗(bevacizumab)是一种通过阻断VEGF抑制新生血管形成的单克隆抗体19,20,21。然而,近期的II/III期临床试验显示,与单用洛莫司汀相比,接受贝伐珠单抗联合洛莫司汀治疗的晚期胶质母细胞瘤患者并未显示出显著的总体生存获益19,20,21,22。关键的是,抗VEGF治疗虽可改善血管异常,但仅能抑制血管生成,缺乏对肿瘤的直接细胞毒性作用,且可能诱导治疗耐药性。因此,仅靶向单一或少数几个血管生成调控因子难以实现根治;有效的治疗策略需同时抑制血管生成,并阻断肿瘤通过血管途径的侵袭与转移。蛋白质在胶质瘤中的诊断和预后价值已得到充分证实,但数十年来恶性胶质瘤的治疗进展仍然有限。
蛋白质组学可利用基于质谱(MS)的技术,包括自上而下法(TDP)和自下而上法(BUP),对生物样本中的全部蛋白质进行全局分析,涵盖表达谱、翻译后修饰(PTMs)以及蛋白质相互作用。高通量质谱技术单次运行即可鉴定数以万计的蛋白质,因而在研究肿瘤机制及治疗靶点发现中具有重要作用。胶质瘤组织以及血液及其衍生物23,24,25、脑脊液26和尿液27等液体活检样本中的蛋白质丰度及其翻译后修饰均可被鉴定。在肿瘤血管系统中,异常的蛋白质表达和翻译后修饰驱动病理性血管改变。胶质瘤新生血管形成过程中的蛋白质变化可通过蛋白质组学方法加以识别,这推动了针对胶质瘤新生血管可靠蛋白质组学分析方案的建立。
然而,新生血管组织仅是全部胶质瘤组织中的一个组成部分。从全部胶质瘤组织中分离并纯化新生血管组织,是实现胶质瘤血管生成准确定量蛋白质组学分析的关键步骤。激光捕获显微切割(LCM)28,29,30,31 是一种有效分离和纯化全部胶质瘤组织中新生血管组织的方法。要获得足量的新生血管组织蛋白用于定量蛋白质组学分析极为困难。2007年,一个研究团队尝试使用LCM从IV级胶质瘤中分离新生血管组织进行蛋白质组学分析,仅通过质谱(MS)鉴定出4种蛋白质32。随后在2012年,该团队继续使用LCM富集IV级胶质瘤的新生血管组织进行定量蛋白质组学分析,也仅通过质谱鉴定出29种蛋白质33。这两项关于胶质瘤血管生成的蛋白质组学研究显示出极低的蛋白质组通量,无法反映胶质瘤血管生成复杂的蛋白质组全景。
本方案建立了一种能够获取足量新生血管蛋白的方法,用于胶质瘤血管生成的定量蛋白质组学分析,从而构建肿瘤血管生成的大规模蛋白质组学图谱。该研究对于发现有效的基于血管生成的生物标志物以及抗血管生成治疗靶点/药物具有重要的科学意义。
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本涉及人体组织样本的实验方案已获得山东第一医科大学医学伦理审查委员会批准(批准号:R202211090133),并已取得患者及其家属的知情同意。本研究所用胶质瘤样本均来自中南大学湘雅医院神经外科手术切除标本,包括7例III级星形细胞瘤组织。正常对照血管(n = 3)取自因脑外伤而切除的受损脑组织中的微血管。所有患者均为首次就诊,术前未接受过放疗或化疗,并均由中南大学湘雅医院病理科确诊。三例正常对照血管组织来自中南大学湘雅医院神经外科手术中切除的因外力损伤但无胶质瘤的正常脑组织中的极细小血管。所用试剂与设备详见材料表。
1. 使用激光捕获显微切割技术从人脑胶质瘤组织中分离新生血管组织
2. 激光捕获显微切割分离的胶质瘤新生血管组织中蛋白质的提取及蛋白含量定量
3. 采用定量蛋白质组学分析制备的新生血管蛋白
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已获得足量的LCM分离蛋白质样品,用于定量蛋白质组学分析
为了获得胶质瘤新生血管组织中差异表达蛋白的可靠蛋白质组学谱型,本研究选取了最常见的胶质瘤亚型——III级星形细胞瘤,并利用激光显微切割技术(LCM)分离新生血管组织,因为该组织中富含新生血管。此外,定量蛋白质组学分析要求每个样本至少含有400 µg蛋白质。本研究采用LCM技术,从7例III级星形细胞瘤组织中精确分离出新生血管组织,共获得8.4 mg的LCM分离新生血管组织(表4)。同时,以因脑外伤而切除的3例受损脑组织为来源,共获得27.5 mg正常对照微血管组织(表4)。
由于激光显微切割分离的新生血管组织样本极为珍贵,因此在提取前估算其蛋白质含量至关重要。通常情况下,蛋白质提取率可达样本重量的5%–10%。因此,胶质瘤新生血管组织的预计蛋白含量为420–840 µg,对照组织为1375–2750 µg,此数量足以满足定量蛋白质组学分析的要求(表4)<...
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激光显微切割联合同位素标记定量蛋白质组学首次鉴定出胶质瘤血管生成的大规模蛋白质组谱
肿瘤血管生成是胶质瘤的关键病理特征,与其高度侵袭性和治疗抵抗性密切相关6,7。传统的抗血管生成疗法(如 VEGF 抑制剂)由于靶点单一及代偿性耐药机制,临床疗效有限19,20,21,22。以肿瘤血管生成为靶向的研究具有重要的科学意义。获取肿瘤血管生成的大规模蛋白质组谱图具有迫切需求。本方案的一项关键创新在于利用激光显微切割技术(LCM),从胶质瘤组织中有效分离并富集足量新生血管组织,从而首次获得胶质瘤中肿瘤血管生成的大规模蛋白质组谱图。该技术通过 LCM 直接靶向新生血管组织进行肿瘤...
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作者声明无竞争利益。
本工作得到中国国家自然科学基金(81272798 资助 X.Z.,82203592 资助 N.L.)、山东省自然科学基金(ZR2022QH112 资助 N.L.)、山东省泰山学者工程专项经费(NO.tstp20221143 资助 X.Z.)、中国国家高端外国专家人才计划(H20240743;外国专家:X.Z.)以及山东第一医科大学新兴战略领域科研培育项目(202403)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 96孔板 | Thermo Fisher Scientific (USA) | 468667 | 耗材 |
| 丙酮 | NanJing Reagent (China) | C0720114023 | 试剂 |
| 乙腈 | Merck (China) | CN34892 | 试剂 |
| BCA蛋白检测试剂盒 | Abcam (UK) | ab102536 | 试剂 |
| 牛血清白蛋白(BSA)标准品 | Solarbio (China) | PC0001-1 | 试剂 |
| 离心管(50 mL) | Kirgen (China) | KG2811 | 耗材 |
| 冷冻切片机 | Leica (Germany) | C1900 | 设备 |
| 半胱氨酸 | Aladdin (China) | C108238 | 试剂 |
| DL-二硫苏糖醇(DTT) | Amresco (USA) | D8220 | 试剂 |
| EASY-Spray C18反相高效液相色谱柱 | Thermo Scientific (USA) | ES800A | 耗材 |
| 电子天平 | Sartorius (USA) | BSA224S | 设备 |
| 包埋介质 | Leica (Germany) | 39475237 | 耗材 |
| Empore SPE C18固相萃取柱 | Sigma-Aldrich (USA) | 66872-U | 耗材 |
| Eppendorf管 | Kirgen (China) | KG2211 | 耗材 |
| 滤纸 | Cytiva (USA) | Grade42 | 耗材 |
| 甲酸 | Aladdin (China) | F112032 | 试剂 |
| 玻璃烧杯 | SHUBO (China) | 1015479 | 耗材 |
| 玻璃量筒 | SHUBO (China) | 1601 | 耗材 |
| 高分辨率液相色谱-质谱联用仪 | Thermo Scientific (USA) | Q-Exactive | 设备 |
| 保温容器 | Fhefon (China) | LCZYX-12 | 耗材 |
| 倒置显微镜 | Leica (Germany) | XDS-1 | 设备 |
| 碘乙酰胺 | Solarbio (China) | I8010 | 试剂 |
| 异丙醇 | Aladdin (China) | I112018 | 试剂 |
| iTRAQ试剂 | Sigma-Aldrich (USA) | 4381663 | 试剂 |
| KCl | Beyotime (China) | ST1596 | 试剂 |
| KH2PO4 | ShangHai YuanYe (China) | S24278 | 试剂 |
| 激光捕获显微切割系统 | Leica (Germany) | LMD 6000 | 设备 |
| 激光捕获显微切割载玻片 | Leica (Germany) | 3800040 | 耗材 |
| Leica高轮廓一次性刀片 | Leica (Germany) | 14035838926 | 耗材 |
| 液氮罐 | KEYICRYO (China) | YDS-3 | 设备 |
| 磁力加热搅拌器 | ShanghaiSILE (China) | LAB-0002-0068-SHSL | 设备 |
| 酶标仪 | TECAN (Switzerland) | INFNITE F200 | 设备 |
| PEN 膜 | Leica (Germany) | 11505189 | 耗材 |
| pH计 | Sartorius (USA) | PB-10 | 设备 |
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| 移液器 | Eppendorf (Germany) | 3123000241 | 设备 |
| 移液器 | Eppendorf (Germany) | 3123000225 | 设备 |
| PolySULFOETHYL A | PolyLC Inc (USA) | 104SE0303 | 耗材 |
| 蛋白酶抑制剂 | Roche (Switzerland) | 05892791001 | 试剂 |
| 冷冻离心机 | Beckman (USA) | AllegraTM X-22R | 设备 |
| 冰箱 | MEILING (China) | BCD-180KCT | 设备 |
| 十二烷基硫酸钠(SDS) | Amresco (USA) | 1027P033 | 试剂 |
| 染色缸 | Beyotime (China) | FG005 | 耗材 |
| 不锈钢药匙 | Muzixing (China) | XYS-101 | 耗材 |
| 吸头 | Kirgen (China) | KG1313 | 耗材 |
| 甲苯胺蓝染色液 | Sigma-Aldrich (USA) | 198161-5G/198161-25G | 试剂 |
| 三氟乙酸 | Aladdin (China) | T103293 | 试剂 |
| Tris-HCl | Amresco (USA) | T8230 | 试剂 |
| 胰蛋白酶-EDTA溶液 | Solarbio (China) | T1300 | 试剂 |
| 超低温冰箱 | Sanyo (Japan) | MDF-382E | 设备 |
| 超纯水净化系统 | ELGA (UK) | PureLAB flex | 设备 |
| 超声波细胞破碎仪 | QSONICA (USA) | Q500 | 设备 |
| 真空冷冻干燥机 | Thermo (USA) | SNL 315SV | 设备 |
| 涡旋混合器 | Crystal Technology & Industries (USA) | HYQ-3110 | 设备 |
| 水浴培养箱 | Shanghai Yiheng Technology Instrument (China) | HWS-26 | 设备 |
| 称量纸 | Cole-parmer (USA) | 133802 | 耗材 |
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