布鲁克总裁专访:科学大咖灵感加磅 timsTOF创新广泛开花

2020年6月18日 17:42:56 来源: 分析测试百科
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  分析测试百科网讯 东方人的思维更偏向于实用主义,比如大家常认为创新来自于应用驱动;世界上还有一种创新首先来自于技术或理论的突破,然后再去寻找应用的方向,布鲁克的timsTOF便是后者。2016年发布Trapped Ion Mobility捕集离子淌度质谱后,引起了组学和临床领域科学大咖们的广泛兴趣,这几年的应用和随后爆发的各种硬软件创新层出不穷。今年受疫情影响,ASMS改为线上召开,布鲁克围绕timsTOF发布了一系列产品。不仅如此,布鲁克及其合作科学家在大会上共做了97个报告,包含9个口头报告和88个poster报告,其中来自合作科学家的口头报告有8个,共计54个合作者。与往年相比,布鲁克在ASMS 2020大会的报告数量显著增加。

  在ASMS召开期间,分析测试百科网也连线采访了布鲁克生命科学质谱的副总裁Rohan A. Thakur博士,他将为我们详解布鲁克timsTOF系列新品的特点以及未来广阔的应用前景。

布鲁克生命科学质谱副总裁Rohan A. Thakur博士

新产品

  MALDI-2后电离离子源

  2020年ASMS布鲁克发布的最重头产品是MALDI后电离离子源MALDI-2。众所周知,近20年质谱唯一获得诺贝尔奖项的是2002年的离子源奖项,得主是ESI和MALDI。Rohan表示:MALDI-2是继2002年后MALDI在基础理论上创新后的第一个商品化产品。

  2015年,Muenster(明斯特)大学的Klaus Dreisewerd课题组在《Science》上发表了Post Ionization的MALDI技术,课题组使用第二束激光来激发MALDI一次激发出的离子流,同时配合冷却气(2.0-2.5 mbar),并且距离样本约5 mm左右,实现了MALDI后的二次离子化。2020年,布鲁克首先实现并完成了这项技术商品化,推出MALDI-2离子源。这种离子源的好处是:大幅提升小分子化合物的灵敏度,高达1-3个数量级,甚至有些在原有MALDI中没有信号的小分子(如雌二醇estradiol、犬尿氨酸kynurenine)也能稳定地获得信号。

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MALDI-2原理:在MALDI源后应用第二束激光激发中性分子电离

使用MALDI-2后,小分子化合物的灵敏度得到数量级的提高

  MALDI-2离子源研究先驱、德国明斯特大学(University of Muenster)生物医学质谱学术带头人Klaus Dreisewerd教授表示:“在过去的35年中,MALDI已成为适用于多种应用、独特而快速的分析工具。现在我们开发的MALDI-2离子源,可以显著扩展MALDI的应用领域,例如为小分子分析提供更高的灵敏度,以及让那些无法在传统MALDI离子源离子化的分子产生信号。因此,配备了MALDI-2离子源的timsTOF fleX将把MALDI分析带到新的科学研究和分析领域中。”布鲁克全球质谱成像总监Michael Easterling博士补充说到:“随着MALDI成像和SpatialOMx在药物开发中针对用于组织模型分析价值的不断增长,驱使人们追求更高的灵敏度与多功能性。凭借其显著提高的灵敏度与可涉及化合物类型的增加,MALDI-2离子源现在可以进一步增强基于质谱的非靶向组织分析。”布鲁克现在还为其MetaboScape®代谢组学软件提供MALDI-2化合物谱图库。MetaboScape软件在SCiLS™ Lab MALDI成像软件内可提供分析物自动注释功能,包括直接在组织图像中对许多代谢物、聚糖和脂质进行可靠注释的CCS算法。

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在timsTOF fleX上运用MALDI-2后,大幅提升按照CCS淌度分离的化合物的信号和成像质量

  prm-PASEF®用于定量4D-蛋白质组学

  2019年发布的dia-PASEF®主要用于快速、大规模的定性,新发布的prm-PASEF®主要用于定量。在布鲁克的革命性timsTOF™ Pro平台上,通过将PASEF®与平行反应监测(PRM)相结合,使其非标记定量(label-free)蛋白质组学性能得到了进一步提升。这种独特的prm-PASEF®利用了TIMS的第4维分离与PASEF的高速扫描优势,提高了多肽离子的选择性和灵敏度,增加了靶标离子的数目。布鲁克与Skyline团队紧密合作进行prm-PASEF®方法开发,现在Skyline软件已经可以分析prm-PASEF®数据并生成定量分析报告。

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prm-PASEF®定量分析:保留时间为59.45min,运用四极杆选择母离子,质谱分辨率>40,000,仍存在干扰,而选择离子淌度窗口后会消除干扰,提升定量的准确度。

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基质为100ng人细胞系酶解物,同时对213个目标物进行定量分析,30分钟梯度获得的该肽段定量结果,浓度范围覆盖5 amol-50 fmol

  来自卢森堡健康研究所的Gunnar Dittmar教授和Antoin Lesur教授共同参与了prm-PASEF®的开发,他们评论:“我们对timsTOF Pro上使用prm-PASEF®分析的早期结果印象非常深刻,与在其它平台上已经开发多年的PRM方法相比,prm-PASEF®的灵敏度和速度已经非常具有竞争力了。”

  哈佛医学院达纳·法伯癌症研究所、布里格姆女子医院副教授Jarrod Marto博士补充道:“自从开始与布鲁克团队合作开发prm-PASEF®以来,我们取得了巨大的进展。timsTOF Pro超快的采集速度与离子淌度信息的独特结合,使我们能够在临床大队列研究中能可靠地定量分析潜在的候选生物标记物。此外,利用prm-PASEF LIVE实时调整采集参数功能可进一步提高离子利用率和分析通量。”

  Yates Lab开发‘Run & Done’实时搜索引擎用于高通量4D-蛋白质组学

  布鲁克正式宣布可以使用proteomic pipeline(IP2)引擎,该引擎是一款基于GPU计算,并集成了加州斯克里普斯(Scripps)研究所John Yates教授研发的ProLuCID数据库搜索工具。这个GPU计算的独特的IP2软件由Robin Park博士开发,它允许使用者在数据采集期间实时搜索timsTOF Pro的 4D数据,数据采集完成即可得到搜库结果。

  John Yates III 教授和Robin Park博士表示:“计算技术的进步、质谱灵敏度的提升和扫描速度的共同发展,使人们能够获得更准确、更大规模的数据分析方法,让更多生物学问题有了答案。基于GPU设计的搜索引擎能同时执行大量多线程并行计算,从而极速缩短搜索时间,并通过将搜库结果反馈到数据采集软件,指导质谱数据采集。非常高兴我们能与布鲁克合作,这个引擎能更好的利用timsTOF Pro进行科学研究。”

  Rohan Thakur博士补充说:“IP2/GPU解决方案提供了一个软件基础架构,让第三方软件可以通过“插件应用”形式使用,并能利用高性能服务器或云计算来处理数据。我们的战略是致力于开放数据文件格式,以促进应用生态驱动的软件开发,包括我们第三方合作伙伴可以通过API访问的形式从timsTOF Pro用户生态中获利。”

  其它更多的创新,还包括:Matthias Mann教授团队发表的大规模、高精度CCS测定用于深度学习,短梯度dia-PASEF和MOMA增强4D-蛋白组学性能等,详情请见:

  请见:布鲁克亮相 ASMS 2020 引领 MALDI 和 4D-蛋白质组学技术发展

  或查看英文发布会视频:2020布鲁克MALDI和4D-蛋白质组学新技术研讨会

谁会爱上timsTOF fleX?

  去年发布的timsTOF fleX,首次推出空间定位组学、4D组学等创新性的概念和应用,谈到timsTOF fleX的用户群,Rohan博士表示:timsTOF fleX的创新点是:可直接进行组织分析、双向电泳板上的分析、体液细胞(如血浆、尿液)等分析。而布鲁克是唯一一家能够提供组织分析、细胞分析、血浆分析的公司。

  由于timsTOF fleX在MALDI和ESI源电离下都可以使用离子淌度,所有的上述分析都同CCS(离子淌度碰撞截面)值联系起来,因此它面对的主要用户群是从事临床医学研究的医院,以及任何研究癌症和肿瘤的科研人员,比如医院里的研究者和中药、制药公司等各种从事前沿的癌症、肿瘤研究的人员。人们只需购买timsTOF fleX,就可以同时做MALDI和ESI,在购置成本、数据一致性、使用方便性等方面,timsTOF fleX都极具竞争力。

  在新的研究领域中,如研究组织中的小分子代谢物,人们想知道细胞是如何相互交流的,这时可以研究其代谢物,配置MALDI-2的timsTOF fleX大幅提升了化合物测试和灵敏度。研究者可以开始在组织中研究小分子,做交叉的有意义的实验,观察脂质是如何变化的,聚糖是如何变化的,小分子代谢物又是如何变化的;然后取一些细胞,看看蛋白质组学是如何变化的,脂质组学是如何变化的。

  Rohan表示:“我们的很多客户都在运营研究型实验室,timsTOF fleX有很多早期的用户,研究范围都涉及制药,美国和世界其它地区的顶尖大学里都能看到这样的研究。我们在北京的Demo Lab中已安装timsTOF fleX,吸引了许多感兴趣的用户。在中国,除了检验科,timsTOF fleX将在病理科、放射科的研究中发挥重要作用。欧洲和美国在该领域从事癌症研究的研究者们已经接受并喜欢上了timsTOF fleX,我相信中国很快也将能更好的利用该技术来助力研究。

  ACS最新一期《Journal of proteome research》的封面上,展示了来自MALDI timsTOF fleX研究肝癌的MALDI成像图片。市场对timsTOF fleX的反馈非常好,布鲁克也积累了许多组织成像在癌症研究中的应用。”

多组学取得的成果

  自从推出timsTOF后,中国已安装了近40套系统,大部分用于组学研究。如北京大学医学部精准医疗多组学研究中心、杭州景杰生物等。

  Rohan表示:布鲁克timsTOF做出的最大贡献就是让蛋白质组学的转化成为现实。由于timsTOF Pro具有出色的稳定性,人们现在可以在timsTOF Pro上运行大队列样本,而无需频繁地清洗仪器;人们对运行大队列样本的信心显著提高。比如,牛津大学开展了一项非常大的研究,每天运行100个血浆蛋白质组学样本;而在timsTOF Pro发布之前,蛋白质组学每天的样本量从未超过10或15个。现在,人们每天做50个样本、100个样本。PASEF的存在让梯度更短、灵敏度更高。布鲁克为蛋白质组学的科研群体提供了强大的工具,创造了想象的空间。”

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牛津大学的Roman Fischer博士用TimsTOF Pro和Evosep LC,每天运行100个未去高峰度蛋白(Non-depleted)的血浆样本,连续运行了2600个样本,证实了TimsTOF Pro的高通量和稳健性,使转化蛋白质组学变为现实

空间定位组学在医学研究、临床诊断方面取得的成果

  自去年在timsTOF fleX上推出空间定位组学(SpatialOMx)的概念后,在组织上开展蛋白质组学研究的大门正式打开。Rohan表示,当你观察组织,做组织成像时,空间定位组学是非常重要的,它能让你更好地区分观察细胞,并用LCM(激光显微切割技术)来切割取样。

  现在你不再需要看10000个细胞了,只需看10个。因为你可以得到系统提升的灵敏度,你可以看到肿瘤区域的细胞如何表现,肿瘤旁的细胞如何表现,远离肿瘤的细胞如何表现,所有的细胞都在对话(talking)。这就像GPS地图一样,可以了解肿瘤细胞、即将成为肿瘤细胞的细胞和远离肿瘤的细胞之间的区别。通过研究上述区别,研究者们就可能揭开为何肿瘤会扩散、如何扩散的秘密。

  如果你研究转录组(Transcriptome),同样需要用到空间定位组,你想知道细胞中的遗传变化,想知道细胞中蛋白质组的变化。现在你只需要10-15个细胞,用timsTOF fleX系统高通量、稳定地多次运行。而如果使用大量的细胞(比如10000个),就会得到所有这些细胞的平均值,有时你就会丢失来自15到20个细胞的低水平信号。现在你只需要10个细胞、多次实验,空间定位组学和timsTOF fleX就能提供更多的信息。

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Maastricht大学的Ron Heeren教授用timsTOF fleX精确区分乳腺癌组织,进行MALDI导向下的ROI(靶向兴趣区域)LCM取样,然后再进行深度的LC-MS/MS分析

  相比于其它公司的离子淌度质谱技术,Rohan强调说:timsTOF最大的优势之一,就是具有非常精确、一致的CCS值。中国、澳大利亚、德国和美国使用timsTOF的研究人员,对于一个肽能给出准确CCS值。因此布鲁克是首个提出完整的CCS预测模型的企业。另外,timsTOF非常重要的是第一个字母T,它是独一无二的被捕集的离子淌度:捕获离子,再慢慢释放它们,可以精确测量CCS值,这就是蛋白质组学领域快速接受timsTOF的原因。“一切正常时你看到很强的信号,当S/N变得很差时,就需要额外方法来识别肽或脂质。有效使用collision cross section(CCS)碰撞截面值的关键是非常精准的测量。这是timsTOF和其它离子淌度技术的本质不同。

  最近,德国马普生化研究所Matthias Mann教授团队在bioRxiv上在线发表了题为《Deep learning the collisional cross sections of the peptide universe from a million training samples》(2020.05.19.102285; doi: https://doi.org/10.1101/2020.05.19.102285)的论文,研究中,他们在timsTOF Pro分析了来源于5种生物,并经过预分级的蛋白酶解物,一共采集360针样本得到数百万个CCS值用于深度学习模型建立,从而进行大规模多肽CCS值的预测。Matthias Mann教授说:“气相中多肽离子的大小和形状对于基于质谱的蛋白质组学来说是一个未充分开发的维度,现在人们可以预测来源于不同生物体的任何肽段的CCS值,从而充分利用离子淌度这一附加信息,为高级蛋白质组学工作流程奠定基础。”

  “布鲁克开启了一个全新的4D蛋白质组学时代,即碰撞截面、保留时间、母离子质量和离子强度。这4个维度代表了4D蛋白质组学,这是TIMS技术的真正优势。”Rohan总结说。

MALDI技术的未来:助力人类攻克癌症难题

  MALDI-TOF类微生物质谱近来在临床检验领域热度很高,很多国产企业也都推出了MALDI-TOF,但目前还很难见显著成效。大家也许有些困惑。Rohan表示:微生物MALDI-TOF解决的只是常规问题,很多医院护士就能使用。

  布鲁克在生命科学上推出的各种基于MALDI的技术,是供研究者使用的,他们正在解决极其困难的问题。他们需要通过技术手段观察生物学上的变化,从而研究出更好地治疗病患的方法。在基因组基础上,他们需要找到更好的技术,比如用质谱法来代替或自动化基因组测试。想象一下,这种方法就好像你使用一个非常精密的望远镜来观察月球,你会看到所有不同的陨石坑、不同的山;而如果只是用肉眼去看月亮,就只能看到一个大圆盘。

  因此,我们正在尝试利用我们的MALDI和质谱技术,帮助那些正在研究肺癌、肝癌、乳腺癌等重大癌症问题的科学家来解决他们的一些问题,这是一种非常特殊的应用。人类攻克癌症是未来最重要的课题,布鲁克已经提供了一些非常尖端的技术,希望能帮助到更多使用的人。

timsTOF在中国

  谈到中国市场,Rohan表示:中国是世界上一个非常重要的国家,不管是蛋白质组学、代谢组学、脂质组学等各种多组学领域,还是基础研究、生物制药、肿瘤学研究等,中国的许多科学研究者都对尖端技术提出了要求。目前,我们看到的是中国在组织研究方面正在积极的寻找突破,可以很快通过预前诊断的工具快速赶上。布鲁克在中国已建立timsTOF演示实验室,希望开始将组织分析和体液、血浆等分析联系起来,预期中国顶尖的研究院所和研究型医院将大量采用。

  在中国,很多医生都有科研的任务,具体体现为发表文章。谈到如何更好地支持医生团队,Rohan表示:人们需要新型技术来帮助学习,比如在西方,顶尖的研究者有很多合作伙伴,如制药公司、CRO实验室、和医院会一起工作。

  真正的问题来自于疑难病患和对其进行诊治的医院。一线的医生观察到新的问题,需要与多个学科合作来尝试和理解,只有搞清楚疾病的根本问题,才有可能治愈它。比如今天COVID-19的爆发,我们需要迅速地了解这种新疾病,看看它如何影响不同的人,最后才可能找到合适的治疗方法。

  Rohan表示,在中国,我们需要同病理科和和放射科建立更多的联系。想象一下,病人进门来,医生判断他得了肿瘤。医生把肿瘤送去分析,肿瘤病理学医生说:“嘿,我以前从没见过这个,我需要研究者的帮助。”他就会去医院的研究室说:“嘿,伙计们,你们能把这个放在timsTOF fleX下看看,帮我们分析一下么?”所以仪器的工具价值在研究中得到了体现。对肿瘤患者来说,延迟一天都是个问题,因为肿瘤每天都在扩散。中国发展很快,但目前的状态是大学里使用了这些前沿工具,中国的病理学研究者还没有开始使用。很多病理学家和放射科医生都在使用机器学习和人工智能来帮助他们处理这么多的数据,timsTOF fleX和MALDI可以一起帮助他们,生成更多的信息,提供更好的治疗决策依据。

  Rohan最后表示:在中国,我们已看到质谱成像的发展,看到了蛋白质组学的发展。我们希望布鲁克的增长速度能超过中国市场的平均增长速度。有一些非常优秀的年轻科学家已加入布鲁克中国团队,将为蛋白质组学、质谱成像的客户提供更好的服务,我们对布鲁克中国的发展前景非常乐观。


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