总裁专访|单细胞蛋白质组分析成为现实

　　多组学发展的两大趋势是大队列高通量分析和单细胞多组学高灵敏度分析。近年来单细胞测序的基因组学成为热点，而蛋白无法如基因般扩增，单细胞蛋白质组学更具挑战。去年Matthias Mann教授团队首次展示了单细胞蛋白质组学的成果，布鲁克今年就为科学家们推出了timsTOF SCP质谱，同时推出在大队列高通量分析方面已好评如潮的二代机型timsTOF Pro 2。

　　布鲁克于2021年6月1-3日举行了主题为“拓展单细胞研究视野”的eXceed全球网络研讨会，重磅发布了新产品—— timsTOF Pro 2 和 timsTOF SCP。借此契机，布鲁克生命科学质谱副总裁Rohan A. Thakur博士接受了分析测试百科网的采访，就布鲁克质谱的产品和未来发展趋势进行了介绍。

布鲁克生命科学质谱副总裁

Rohan A.Thakur 博士

　　timsTOF Pro 2 蛋白质组学分析新主力

　　timsTOF Pro 2是蛋白质组学分析的新主力，适用于血浆、组织样本和细胞培养的高稳定、无偏、高深度和定量4D-蛋白质组学和4D-表型蛋白质组学研究。它将基因组学、蛋白质组学与表型蛋白质组学相结合，支持液体、活检多组学生物标记物研究。该技术进一步与优化的dda-PASEF、dia-PASEF和prm-PASEF方法相结合，提供行业领先的性能以及无与伦比的高稳定性和高通量。对200ng的HeLa酶解液进行60分钟梯度分析，timsTOF Pro 2采用dda-PASEF的方法可鉴定超过6,000个蛋白和60,000个特异性肽段；对20ng的HeLa酶解液进行30分钟梯度的采集，可以鉴定超过4,000个蛋白和30,000个特异性肽段，实现高覆盖率蛋白分析。

图：布鲁克 timsTOF Pro 2 质谱仪

　　我们的用户德国美因茨大学医学中心免疫学研究所的Stefan Tenzer教授展示的数据显示，timsTOF Pro 2可以从起始材料仅有150ug的蛋白质中鉴定27,768条特异性磷酸化肽段。另一特别亮点在于，通过TIMS和PASEF组合，在1946个已确定的共洗脱异构体中，20%可以完全用TIMS分离，该研究成功分离了457种共洗脱的磷酸化修饰位置异构体。

图：Stefan Tenzer教授：150ug蛋白质中鉴定27,768条特异性磷酸化肽段，利用TIMS在1946个磷酸化异构体中分离457个。Tenzer教授表示：“除了高灵敏度之外，TIMS技术的一个独特方面是它能够通过离子淌度来解析气相中的磷酸化位置异构体，对信号通路提供更详细的信息。”

　　timsTOF SCP 单细胞蛋白质组研究利器

　　timsTOF SCP展现了在灵敏度方面的革命性提升，可开展单细胞蛋白质组学研究。团队正在扩展单细胞研究的视野，在世界上首次让研究者运用基于质谱的单细胞蛋白质组学方法，研究细胞周期，观察包括翻译后修饰的表型蛋白质组。timsTOF SCP通过无偏、深度单细胞 4D-蛋白质组学为scRNA测序提供补充，彻底革新了定量单细胞生物学研究。德国马克斯·普朗克生物化学研究所Matthias Mann等人的论文中，突破性地在单细胞中鉴定并定量了1,400多种蛋白质。

　　timsTOF SCP正是布鲁克与Matthias Mann团队的合作成果，同时与Evosep公司在~100nL/min的超低流速平台上共同开发了新的Whisper方法。timsTOF SCP在数据非依赖性采集dia-PASEF或平行反应监测PRM-PASEF方法中，提高了五倍的离子传输率。dia-PASEF方法与带有Whisper的Evosep One LC平台相结合，进行了数百个单细胞蛋白质组学分析，证明了真实、无偏4D-蛋白质组学用于单细胞的分析的出色性能，每个细胞可定量约1,500个蛋白质。timsTOF SCP具有超高灵敏度，可进行无偏单细胞（对单个或几个细胞进行激光捕获显微切割）蛋白质组学研究，其超高灵敏度也可应用于免疫肿瘤学研究领域中，免疫肽组学的新抗原发现。同时timsTOF SCP可将单细胞生物学应用范围从基因组学和转录组学，成功扩展到无偏、定量4D-蛋白质组学。

　　Rohan进一步介绍说，单细胞研究的主要挑战来源于样品制备，如何从单个细胞中提取物质，如何减少样品制备的损失是我们最关注的问题。布鲁克同第三方合作，包括细胞分选和分离的专家，利用流式细胞荧光分选技术（FACS）选择单个HeLa细胞并进行单细胞蛋白质酶解。在样品制备后，布鲁克与Evosep公司密切合作，使用Whisper™技术的纳流方法，其流速约75-100纳升/分钟，这种极低的流速可最大幅度地提高质谱分析的灵敏度，获得3秒或更短时间的色谱峰。由于单细胞蛋白质组学研究的最大挑战源于样本制备和分离，timsTOF SCP结合FACS分离和样本制备技术，Evosep的Whisper技术，首次实现了商品化的单细胞蛋白质组学分析。

图：timsTOF SCP 系统实现单细胞4D-蛋白质组学分析

　　其它新产品

　　在生物信息学方面，布鲁克去年收购IP2公司并于HUPO会议期间推出PaSER，这是第一款基于GPU强大数据处理功能的搜索引擎软件。PaSER适用于翻译蛋白质组学，其涉及到很多运算并产生的文件格式较大。当用户搜索数据库时，这些生成的大量数据集将遇到假阳率等诸多问题。PaSER致力于减少搜库时间，提高数据分析的效率。

　　今年推出的用于4D-蛋白质组学分析的PaSER新版本有三大优势：首先，提供MOMA浏览器，可观测mobility offset mass aligned events，通过大规模CCS（碰撞截面积）值来表征色谱共流出物或异构体肽段。基于GPU搜索的研究已经扩展到免疫蛋白质组学领域。其次，与Peaks公司在从头测序（de novo）展开合作，通过与Tony Purcell教授和Bioinformatics Solutions公司合作，真正实现了实时de novo测序，为新抗原发现提供了新途径。Tony Purcell教授将推出其使用CCS的从头测序软件包。第三点，PaSER整合了支持CCS值的全新数据库搜索的新算法——TIMScore™，该算法与John Yates教授共同开发，由机器学习驱动，可帮助研究者在极痕量水平上鉴定多肽并减少鉴定的模糊性（ambiguity）。TIMScore为第一个支持CCS数据库的搜索算法，并增加了蛋白质和肽段的鉴定量，并同时保持了FDR控制和实时搜索速度。

图：PaSER：基于GPU强大数据处理功能的搜索引擎软件

　　6月21日，布鲁克为timsTOF家族和impact II质谱推出加热的电喷雾离子源，并推出代谢组学选项，这是MetaboScape的新版本，将使用户拥有4D-代谢组学研究的新功能。

　　MALDI-2的反馈

　　去年，布鲁克推出了世界上第一个商用MALDI后电离（PI）离子源MALDI-2，Rohan介绍了该产品的应用反馈。这是近30年来MALDI电离领域具有里程碑意义的创新。当前大多数的应用都在制药领域，人们想研究小分子代谢物，开展更高层次的研究，希望“看到”小分子和组织，特别是在组织代谢层面。MALDI-2的进展如此之快，令人惊讶。

　　由于很多制药公司不愿公开展示他们的数据，Rohan仅介绍了Ron Heeren博士的演讲，他是荷兰马斯特里赫特大学质谱成像中心的主任。Ron Heeren博士介绍其在timsTOF fleX上使用MALDI-2所做的工作，在提高的灵敏度下，可以5-10mm的空间分辨率获得单细胞分子成像图谱。MALDI引导的空间定位组学（SpatialOMx）工作流程，帮助研究者在MALDI 图像中识别特定细胞表型的区域，再使用激光显微切割(LMD)收集这些区域，以便在同一 timsTOF fleX仪器中开展4D-蛋白质组学研究。虽然不便公开销售数字，Rohan表示，许多制药公司和研究者想拥有这项技术，在中国也已售出多套MALDI-2系统，第一套的用户是香港浸会大学。

　　发布timsTOF Pro以来取得的成果

　　Rohan接下来介绍了自从发布timsTOF Pro以来取得的大量成果。

　　首先，timsTOF Pro最大的优势在于让蛋白质组学的转化成为现实。由于其展现出惊人的稳健性和分析性能，当研究者面对如大量病人等特别多样本时，他们更喜欢使用timsTOF Pro。例如，牛津大学纳菲尔德分校医学院的Roman Fischer教授26个月几乎不停机地使用timsTOF Pro，连续运行了超过25,000 个 LC/MS 样品，其中大约 5,000 个是未去高峰度蛋白（Non-depleted）的血浆样本。

图：Roman Fischer教授：从2019年2月使用timsTOF Pro开始，几乎不停机地运行了超过25,000个样本，其中5,000个是未去高峰度蛋白的血浆样本

　　第二点，timsTOF Pro可深入研究表型蛋白质组学（epiproteome），它揭示重要的蛋白质翻译后修饰（PTM），PTM在许多细胞过程中起着关键作用，如信号传导和调节、蛋白质相互作用、细胞功能和定位等。德国美因茨大学医学中心免疫学研究所Stefan Tenzer教授展示的数据表示，利用timsTOF Pro不仅可以鉴定特异性磷酸化肽段，还可通过TIMS和PASEF组合分离共洗脱的磷酸化修饰位置异构体。

　　Rohan小结道：timsTOF Pro 2具有高稳健性可运行大量的生物样本，并能实时观测翻译后修饰的结果。当使用PASEF研究免疫多肽组时，可获得高灵敏度并进行实时denovo测序，该能力已成为timsTOF Pro仪器最具吸引力的方面，同时人们正在利用CCS的优势，对脂类或其它小分子、特异性肽进行预测，进行更可靠的鉴定。

　　4D流程提升信心，空间组学再辟新径

　　谈到timsTOF技术对未来生命科学的影响力，Rohan表示：timsTOF为研究者提供了更佳的选择，他们可使用其关键优势展开4D工作流程，如4D-脂质组学、4D-糖组学、4D-蛋白质组学，利用CCS值提升鉴定的信心。所有的问题都是从未知开始的，比如获得一张MS/MS谱图，由于共洗脱其不确定度很高，CCS可提高鉴定的可信度，让人们以更高的信心研究他们以前从未见过的化合物。

　　布鲁克首次在timsTOF fleX上引入MALDI导向的空间定位组学，它对脂质信号非常灵敏，对脂质组学提供了关键技术。在timsTOF fleX前可以做MALDI、做MALDI-2，对MALDI离子化后的信号利用CCS离子TIMS，还可以继续做高灵敏度LC/MS分析、各种多组学分析，这种多用途为科学研究开辟了广阔的空间。

　　Rohan小结说：timsTOF系列提供的独特工具可解决极富挑战性的难题。比如癌症发病率正在上升，越来越多的癌症检测中，异质性、难以确认都是难题。空间定位组学帮助人们看清肿瘤组织，指导分离特定细胞，甚至从5、6个细胞达到单细胞水平。然后人们研究脂质组学、蛋白质组学、表型蛋白质组学等，timsTOF系列提供了前所未有的工具：高灵敏度、高特异性、利用CCS提升鉴定信心、高稳健性，连续运行成千上万个样品而无需停机。

　　收购和投资

　　Rohan分享了布鲁克近期的投资动态。布鲁克去年收购了Scripps研究所的生物信息学公司IP2，并推出了PaSER搜索引擎软件，为研究者提供'Run＆Done'实时的结果。布鲁克今年推出升级版本，增加了MOMA、TIMScore和de novo测序等功能。

　　布鲁克还参与投资了Adeptrix，其技术有助于所有的生物标志物验证分析。基于磁珠的质谱技术（BAMS）对于MALDI应用来说相当惊人。Adeptrix的技术为所有疾病分析带来福音，它不仅可以分离蛋白质，还可以分离肽，并提高灵敏度，可在MALDI-TOF上进行非常高通量的分析。

　　布鲁克投资的另一家公司是高清空间蛋白质组学领域的先驱IONpath，他们拥有标记成像技术。IONpath使用斯坦福大学开发的MIBI（多重离子束成像）系统，利用金属标签（metaltags）来观察细胞内的信息标记，从而进行亚细胞的蛋白质成像。在MALDI成像方面布鲁克有一个积极的计划，而IONpath提供了更广泛的视野，从10微米到400纳米，或进行亚细胞的蛋白质成像。

　　布鲁克还对GlycoPath公司进行了种子轮投资，他们开发GlycoTyper糖型生物分析的技术平台，该技术由南卡罗来纳医科大学开发，并获得 MUSC 研究开发基金会的许可。用MALDI-TOF研究肝病的首要一步就是观测肝纤维化（liver fibrosis）水平，因为有些肝纤维化会发展为肝癌。GlycoPath正试图开发一种快速检测方法，利用质谱法测定肝纤维化。

　　质谱未来发展趋势

　　Rohan谈到未来质谱的发展趋势时说，人们永远追求高灵敏度和高特异性。回望过去近30年质谱的演变，布鲁克一直都在这样努力。质谱仪的灵敏度始终有较大的提升空间，即使用timsTOF SCP单细胞分析质谱，目前可以检测单细胞中大约2,000多个蛋白质，未来还需要继续提升，检测单细胞中超过10,000种蛋白质。

　　质谱在许多方面还有进一步提升的空间，如何让研究者更容易地获得更多的蛋白质组学结果。迄今，布鲁克提供了脂质组学的成像数据，为多组学分析、为单细胞（或少数5-6个细胞）分析提供更深入的4D-蛋白质组学和更深入的4D-代谢组学。研究者将这些数据合并考虑，可以进行决策或让这些数据具有可操作性。因此，融合各种智能采集方法很重要，比如dia-PASEF或prm-PASEF，这使研究者可对蛋白质组进行高灵敏度的无标记定量（LFQ）；进行强大的MALDI成像来观察不同的癌症，了解癌症的亚型、进行脂质组分析；还可以用LC-MS获得更多结果。布鲁克的产品线提供了各种工具来解决复杂的、挑战性的问题。虽然布鲁克也有一些基本的工具可用于食品检测和常规市场；但布鲁克主要聚焦于为科研人员提供更先进的工具来解决挑战性难题。科研人员可根据需要，综合使用MALDI和电喷雾质谱这些高灵敏度工具来观察疾病。布鲁克的未来重点是在全球范围内，在人类攻克癌症的舞台上扮演重要角色。

　　布鲁克质谱未来战略

　　Rohan谈到中国区的表现时说：布鲁克中国区在何磊的带领下，质谱的销售每年以两位数的速度快速增长。比如华南生物医药研究院一次订购6套timsTOF系列质谱仪，其中包括了全球第一台timsTOF SCP，这是15年来的第一次，布鲁克成为多组学研究的主要参与者，许多研究机构都将目光投向了布鲁克。

　　谈到布鲁克未来3-5年的战略时Rohan表示：在中国的战略也是我们在全球各地的战略，即成为全世界癌症机构的主要合作伙伴，成为全世界学术机构的主要参与者，集合研究型医院的力量和学术界的基础研究，我们希望帮助解决全球各地常见的特定癌症。布鲁克设立了许多积极的项目来同研究团体合作，而全球的科学团体也通过ASMS、ACCR（美国癌症研究学会）大会等保持着密切的联系。我们想同更多的生物学家合作，将基因组学和表型组学连接起来，在癌症研究方面基因组学已取得很大进展，并尝试将其应用于其它多组学。我们非常愿意成为基因组学界的一员，引进蛋白质组学、脂质组学，并将下一波多组学应用带到中国。这是我们正在全球开展的一项关键举措。

　　中国对布鲁克来说非常重要，我从1995年就首次来到中国。多年来中国科学已取得了巨大的进步，中国科研机构的研究水平等同或超越了全球许多科研机构。我非常高兴看到这一点，并希望布鲁克能助力中国科学的快速发展，攀登上更高的山巅。