纽约(基因组网)-范德比尔特大学的研究人员开发了一种多模态成像系统，用于研究宿主-病原体相互作用的分子特征。
中描述的一项研究本周发表于科学转化医学该工作结合了基于MALDI成像的蛋白质组学，基于质量谱的金属成像，生物发光成像(BLI)和MRI来研究的多个方面金黄色葡萄球菌感染和宿主反应。
范德堡大学的病理学、微生物学和免疫学教授、该论文的资深作者Eric Skaar说，这些技术的整合提供了对感染引起的广泛细胞和组织变化的三维观察，并有可能适用于其他疾病系统，包括对患者肿瘤和肿瘤微环境的研究。
范德比尔特研究人员和研究合著者Richard Caprioli是MALDI质谱成像(MSI)的领导者，Skaar说，他和Caprioli一直在使用MSI蛋白质组学研究来探索感染模型。
Skaar补充说，他的实验室一直在独立研究一种电感耦合等离子质谱(ICP-MS)成像方法，以观察金属的细胞分布，金属是许多蛋白质的关键辅助因素，在感染的结果中发挥着重要作用。他的实验室还使用MRI来观察感染引起的解剖破坏，以及BLI，它使用与细菌启动子相关的荧光素酶来观察各种感兴趣的基因的活性。
“我们有一个想法，也许我们可以把这些(不同的模式)放在一个单一的实验中，”Skaar说。“我们可以问这样一个问题:‘感染是如何破坏组织的?用核磁共振成像，这是如何导致金属蛋白的重新分配的?使用MALDI成像质谱仪，这是如何影响金属在组织中的分布的?'使用ICP-MS成像，然后，最后，'细菌如何通过基因表达的变化来应对这些金属分布的变化?[根据BLI的测量]。”
金黄色葡萄球菌感染是这类成像研究的一个很好的模型疾病，因为感染形成的脓肿，Skaar说，“非常容易与其他健康组织区分。”
他说:“当你将这种成像方式应用到像在H&E染色中看到的病变，然后将[成像]轮廓与病理比较时，它真的很强大。”
在扫描隧道显微镜研究人员观察了感染了金黄色葡萄球菌,首先在动物活着的时候用MRI成像，然后在整个动物体内收集一系列的切片，一组为MALDI，一组为ICP，一组为H&E染色，第四组作为储备。
Skaar说:“然后我们进行所有这些成像模式，并计算出所有不同模式的3D渲染，并将它们相互关联起来。”
这项研究产生了许多发现，“其中一些非常有趣，但无法解释，”Skaar说，还有一些为他和他的同事正在计划的后续实验提供了明确的点。
他说，其中最有趣的结果是观察到“当动物被感染时，金属在整个组织中大量重新分布，”他补充说，“真的没有已知的蛋白质可以解释我们看到的(金属)重新分布的程度。”
斯卡尔说:“因此，由此得出的基本金属生物学非常有趣，显然，关于金属在感染时如何移动以及对疾病过程的影响，还有很多东西需要了解。”
另一个关键发现是感染相关脓肿的异质性。同一组织中的不同脓肿具有不同的分子组成，这些脓肿中的细菌表现出不同的基因表达模式，表明对不同环境的反应。
Skaar说，他和他的同事们认为这些差异与脓肿发展的不同阶段有关。他说:“我们认为脓肿有一个生命周期，根据脓肿的年龄，其中的分子环境也会不同。”他补充说，他们现在正在努力将特定的分子特征与不同的脓肿时间点联系起来。
他说:“是否有某种分子或分子图谱只存在于3天或5天的脓肿中?”“这就是我们正在努力解决的问题。”
Skaar补充说，脓肿异质性的问题是一个例子，该团队的成像方法所获得的发现很可能会被其他不包含空间成分的方法所遗漏。
“你可以想象，大多数人只是把一个器官磨碎，然后做RNA-seq或蛋白质组学，”他说。“我们认为，当你这样做的时候，你会遗漏很多信息。”
也许最令人好奇的结果是在脓肿中细菌和宿主固有免疫蛋白之间发现了一个明显的缺口。Skaar说，这一发现源于MALDI成像技术的改进，使研究人员第一次成像并识别细菌蛋白质与宿主蛋白质不同。vwin德赢ac米兰合作
他说:“所以我们现在能做的是成像细菌蛋白质和宿主先天免疫蛋白质的位置，我们清楚地看到的是，有一个细菌种群，然后在细菌周围有一组先天免疫蛋白质，但两者之间有一个差距。”“细菌周围没有直接的信号。这里有点像非军事区。”
“先天免疫蛋白，至少我们正在成像的那些，并没有一路到达细菌的微菌落，我们认为这可能对宿主-病原体的相互作用有真正深远的影响，”他补充说。“因为如果先天免疫蛋白不能接触到细菌，它们就不能做任何应该做的事情来抑制细菌。所以我们现在对微菌落周围的区域感兴趣。”
Skaar表示，未来，他希望进一步改进平台，使更多高度复用的BLI测量成为可能，以获得更广泛的细菌基因表达变化对宿主环境的响应。
他还希望扩大通过MALDI成像检测细菌蛋白质的范围。“如果我们能找到宿主感染期间最丰富的细菌蛋白质，我认为这可能会提供一些真正有价值的信息，关于我们可以在治疗开发、疫苗设计、等等他说。
Skaar说他的研究主要集中在生物学上，但他建议他的团队开发的集成成像平台可以用于其他领域，特别是癌症生物学。
“这不是我要研究的方向，但我认为这项技术非常适合肿瘤生物学，”他说。vwin德赢ac米兰合作癌症已经是基于MALDI成像的蛋白质组学的主要焦点，但Skaar认为基于icp - ms的金属分布分析在这一领域也可能有用。
他说:“自然界中30%的蛋白质都需要金属作为辅助因子，所以它们对主要的生物化学过程非常重要，而这样的金属再分配将对任何疾病过程产生重大影响。”“据推测，类似的金属再分配也发生在癌症等疾病中。”