标题:
通过整合成像技术和脂质组学表征研究MSC效能指标
期刊名称及出版年份:
《Cell Reports》，2024年
第一作者及最后一位作者:
Priyanka Priyadarshani, Luke J. Mortensen
第一所属机构:
美国乔治亚大学，化学、材料与生物医学工程学院，雅典，乔治亚州
摘要:
本研究分析了MSC在单细胞水平上的形态学和脂质组学特征，揭示了这些特征可以区分免疫刺激下的MSC功能亚群。通过使用DPC显微镜和MALDI-MSI技术，我们探讨了形态变化与特定脂质类激活之间的相关性，表明这些发现可能有助于优化MSC的生产过程。
背景:
由于MSC具有免疫抑制作用，在再生医学中具有很大前景，但其疗效因供体和细胞扩增阶段的不同而异。本研究旨在通过整合评估MSC的形态和脂质组学特征，了解单细胞水平的功能异质性，以期改善临床应用。
方法:
我们使用无标记差分相位对比（DPC）显微镜和MALDI-MSI同时获取了MSC的形态和脂质组学特征。我们比较了IFN-γ刺激的MSC与未处理的对照组之间的形态和脂质组学变化。
结果:
在IFN-γ刺激的MSC中，特定形态特征（如紧凑度、周长、长轴长度）与脂质（尤其是PC、LysoPC、TAG）之间存在强相关性。这些特征可能作为识别MSC功能亚群的指标。
讨论:
本研究表明，MSC的形态和脂质组学可能用于识别功能亚群，这有望改善再生医学中MSC的生产过程。
与以往研究相比的新颖性:
本研究通过在单细胞水平整合形态和脂质组学分析，展示了这些综合指标可以揭示MSC功能异质性的潜力。
局限性:
本研究的主要局限性在于单细胞脂质组学的信号强度较低，导致可检测的脂质种类有限。此外，由于需要大规模数据集，未来的研究仍然必要。
潜在应用:
这一方法可能应用于识别MSC的功能亚群并优化其生产过程。
补充信息:
使用Readable可以在保持论文PDF布局的同时进行中文翻译。Paper Interpreter的创建者Daichi Konno也是这个服务的忠实用户。输入优惠码”PaperInterpreter”可以享受一个月的免费试用，欢迎尝试😊。
问答:
问: 如何进行单细胞脂质分析？
答: 单细胞脂质分析是通过以下方法进行的：
- MALDI-MSI（基质辅助激光解吸/电离质谱成像）:
使用MALDI-MSI技术获取MSC的单细胞脂质谱。MSC被播种在氧化铟锡（ITO）涂层载玻片上，并比较了IFN-γ刺激组与未处理对照组之间的差异。从光谱数据中提取与特定m/z值对应的脂质峰并将其可视化。 - 图像配准:
将DPC显微镜获得的形态图像与MALDI-MSI获得的脂质图像整合，以关联每个细胞的形态与脂质谱。这一过程匹配了形态特征与脂质峰。 - 统计分析:
对获得的脂质谱进行主成分分析（PCA）和逻辑回归分析，以识别差异表达的脂质。此外，还使用高分辨率傅里叶变换离子回旋共振（FTICR）和超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）进行光谱的精确质量鉴定。
这一方法揭示了IFN-γ刺激引起的MSC单细胞脂质谱的变化。
问: 什么是MALDI-MSI？
答: MALDI-MSI（基质辅助激光解吸/电离质谱成像）是一种使用质谱仪可视化生物样本中分子空间分布的技术。具体步骤包括以下几个方面：
- 样本准备:
样本（通常是薄切的组织或细胞）放置在特制的基板（例如氧化铟锡涂层载玻片）上。然后，将称为基质的化合物均匀涂覆在样本表面，这有助于吸收激光能量。 - 激光照射:
基质被激光照射，导致样本表面释放出离子，这一过程被称为“解吸”。 - 离子化:
释放的分子被离子化，使其在质谱仪中可检测到，这一过程称为“离子化”。 - 质谱分析:
离子化的分子进入质谱仪，根据质荷比（m/z）进行分离和检测，产生样本中各种化合物的质谱图。 - 成像:
MALDI-MSI在样本的每个位置获取质谱图，并根据特定分子种类的空间分布生成图像。这使得能够直观地确认特定分子在样本中的分布。
MALDI-MSI广泛用于详细分析生物组织和细胞的结构和化学性质，特别是在揭示脂质和蛋白质的空间分布方面具有重要作用。
问: 总共鉴定了多少种脂质？
答: 通过MALDI-MSI分析，总共鉴定了54种特定的脂质峰。其中，20种脂质在IFN-γ刺激的MSC中显著增加，而6种脂质在未处理的对照细胞中显著增加。其余26种脂质在两个组之间没有显著变化。
问: 54种脂质数量算少吗？
答: 在单细胞MALDI-MSI分析中，54种脂质一般不算少，但随着技术进步和分析条件的改善，可能鉴定出更多脂质。
在单细胞分析中，由于质谱信号强度较低，可检测的脂质数量可能受到限制。特别是单细胞分析中，样本中可提取的物质量极少，因此需要更高灵敏度的测量方法来鉴定更多的脂质。
因此，54种脂质对于单细胞MALDI-MSI分析而言是合理的数量，但随着技术的进步或与其他补充分析方法（例如超高效液相色谱-串联质谱，UHPLC-MS/MS）结合，可能会鉴定出更多脂质。
问: 为什么使用IFN-γ进行刺激？
答: IFN-γ（干扰素-γ）用于刺激MSC以研究其免疫反应性。具体而言，原因如下：
- 促进免疫反应:
IFN-γ是一种在免疫系统中起重要作用的细胞因子，对包括MSC在内的多种细胞具有强大的刺激作用。通过IFN-γ刺激MSC，可以更容易地表现其免疫抑制性和免疫调节性功能，从而详细研究细胞的反应和变化。 - 了解功能异质性:
MSC在不同的供体和培养条件下可能表现出不同的免疫反应。通过IFN-γ刺激，可以观察与MSC免疫抑制功能相关的脂质和形态变化，从而明确不同亚群之间的功能差异。 - 改善临床应用:
通过IFN-γ对MSC进行“预处理”是临床中提高治疗效果的一种策略。理解细胞对刺激的反应有助于优化MSC的质量控制和生产过程。
因此，IFN-γ刺激是评估MSC免疫反应性和增强其在再生医学和免疫治疗中效果的重要步骤。
问: 哪些特定脂质增加了？
答: 在IFN-γ刺激的MSC中，以下脂质被确认增加：
- 神经酰胺-1-磷酸（C1P）:
- m/z 688.4: CerP 33:2;O6
- 磷脂酰胆碱（PC）:
- m/z 758.6 [M+H]+/780.5 [M+Na]+: PC (34:2)
- m/z 732.6: PC (32:1)
- m/z 804.6: PC (36:4)
- m/z 504.3: PC (16:0/18:1)
- 溶血磷脂酰胆碱（LysoPC）:
- m/z 546.3: LysoPC(18:0)
- 甘油三酯（TAG）:
- m/z 789.6: TG 43:1;O2
这些脂质在IFN-γ刺激的MSC中与免疫功能和细胞膜结构相关，尤其是在免疫反应增强时确认其增加。这些脂质的增加被认为会影响MSC的免疫抑制功能和细胞形态。
问: 这些脂质与免疫反应之间有什么关系？
答: 在IFN-γ刺激的MSC中增加的脂质在免疫反应中发挥重要作用。下面解释了每种脂质在免疫反应中的关系：
- 神经酰胺-1-磷酸（C1P）:
- 作用: C1P参与鞘脂代谢，具有抗凋亡作用，并在细胞迁移和炎症反应调节中发挥重要作用。它促进免疫细胞活化和迁移，并已知能够调节炎症反应。
- 磷脂酰胆碱（PC）:
- 作用: PC是细胞膜的主要成分，通过脂质筏形成对启动免疫反应至关重要，并且PC的代谢产物参与免疫细胞的信号传导、分化和增殖。
- 溶血磷脂酰胆碱（LysoPC）:
- 作用: LysoPC参与膜重塑和细胞信号传导，影响炎症反应和免疫细胞功能。LysoPC已知调节基因表达，促进细胞增殖和分化，还可诱导炎症性细胞因子的产生。
- 甘油三酯（TAG）:
- 作用: TAG是重要的能量来源，其代谢产物如脂肪酸和甘油对免疫细胞的分化和功能至关重要。TAG代谢产物参与膜磷脂的合成，并在免疫细胞的信号传导通路中发挥作用。
问: 这些脂质如何影响免疫细胞？是被免疫细胞摄取还是刺激受体？
答: 这些脂质通过多种机制影响免疫细胞。以下解释了每种脂质如何影响免疫细胞的具体机制：
- 脂质释放和受体刺激:
MSC分泌的脂质主要通过外泌体和微囊泡等小型细胞外囊泡释放，这些囊泡含有脂质、蛋白质和RNA，并可与其他细胞相互作用。
- 外泌体释放: MSC释放含有脂质的外泌体。当外泌体被免疫细胞摄取时，内部的脂质和其他成分可能会直接影响受体细胞。
- 受体刺激: 特定脂质（如LysoPC和PC）与免疫细胞表面的受体结合，启动信号传导级联。例如，LysoPC通过G蛋白偶联受体（GPCR）传递信号
给免疫细胞，诱导趋化性或细胞因子分泌。此外，PC通过促进脂质筏形成，帮助受体的簇集和激活。
- 脂质的直接摄取:
MSC释放的脂质也可以被免疫细胞直接摄取，整合到细胞膜中或用作能量来源。
- 内吞作用: 免疫细胞通过内吞作用摄取MSC释放的脂质。被摄取的脂质用于膜重建或能量代谢，促进免疫细胞的活化和功能变化。
- 膜整合和信号传导: 脂质整合到免疫细胞膜后，影响膜的物理特性和信号通路，改变免疫细胞的敏感性和反应性，从而诱导特定的免疫反应。
- 间接信号传导变化:
脂质的影响还可以通过免疫细胞内外信号传导的变化间接发挥作用。
- 信号分子的生成: 脂质代谢过程中产生的信号分子（如二酰基甘油、前列腺素）调节免疫细胞信号传导，并改变细胞功能。
- 炎症性细胞因子的诱导: 一些脂质在免疫细胞内激活信号传导级联，促进炎症性细胞因子的产生，进而激活或动员其他免疫细胞，增强整体免疫反应。
问: 这些脂质是由MSC分泌的吗？
答: 并非完全如此。之前的解释可能有些误导。虽然脂质可以通过外泌体或囊泡由MSC分泌，但本研究中提到的脂质主要作为MSC自身细胞膜或内部代谢物发挥作用。
正确理解:
本研究中脂质的作用主要与MSC自身的功能和形态有关。具体来说，MSC被认为通过以下过程影响免疫反应：
- MSC膜组成和功能的变化:
- 脂筏的形成: MSC膜中存在的脂质（如PC和LysoPC）形成称为脂筏的膜内区域，这促进了免疫受体的组织和簇集。这种簇集使得MSC与免疫细胞接触时，能够诱导免疫细胞的激活或抑制。
- 膜流动性和结构的变化: MSC膜脂质组成的变化会改变细胞膜的物理特性（如流动性、柔韧性），这会影响MSC的免疫调节功能。
- MSC分泌物的调节:
- 细胞因子和生长因子的分泌: MSC内部的脂质代谢调节MSC分泌的细胞因子和生长因子的种类和数量。这些分泌物直接或间接作用于免疫细胞，调节免疫反应。
- MSC与免疫细胞的直接相互作用:
- 细胞接触介导的信号传导: 当MSC与免疫细胞直接接触时，MSC膜中的脂质在调节免疫细胞信号传导中起到作用。这种相互作用可以引发免疫细胞的激活、分化或抑制。
总结:
本研究中脂质的作用主要涉及MSC利用其自身细胞膜或内部的脂质代谢物来诱导与免疫功能相关的变化，最终影响MSC与免疫细胞相互作用时表现出的免疫调节功能。因此，这些脂质主要影响MSC自身的功能，并在MSC与免疫细胞的相互作用中起到关键作用。
