质谱流式应用文章分析——人体健康监测
在免疫系统中，主要成分是不同类型的免疫细胞和它们与之交流的细胞因子。虽然血液本身不是免疫器官，但它是大多数免疫细胞在体内循环的渠道，特别是在接种疫苗等免疫刺激之后，甚至远端过程也能反映在血液样本中，因此是极佳的检测免疫状态的生物样本[1]（图1）。
图1. 血液可以作为人类免疫系统质谱流式分析的窗口
由于免疫细胞不仅是机体免疫应答功能的重要成分，还是免疫系统几乎全部免疫功能的主要执行者，所以，免疫细胞检测最能准确且全面的评估受检者的免疫状况，其中，淋巴细胞亚群的变化是免疫检测的重点[2]（图2）。系统生物学方法旨在识别给定系统的主要组件，并测量这些组件如何响应系统的扰动而变化。使用质谱流式技术可以系统的分析机体的所有的免疫细胞亚群及其状态，进而达到健康监测的作用。
图2. 质谱流式技术分析的免疫系统常见细胞
免疫系统具有巨大的个体与个体的多样性。免疫力本质上是可变的，因为它由最多态性的基因控制，并由高度敏感的环境传感器塑造，这些传感器能够将免疫力推向无数的功能配置。在现代人类中，多种免疫相关疾病反映了这种免疫状态多样性的临床后果，更好地了解导致这种变异性的原因可能有助于确定更多的精准医疗策略。常见的遗传变异、年龄和性别等内在因素以及常见的环境暴露都会引起机体免疫系统的变化[3]（图3）。
图3. 免疫多样性作为一种进化策略
随着越来越多研究使用质谱流式技术研究各种疾病的免疫失调，也越来越需要健康个体免疫参数作为参考。2022年有研究使用质谱流式技术（CyTOF）分析了86个健康捐献者的血液，获取了包含86个健康个体的细胞丰度和信号水平基线，以及它们在15种刺激条件下的免疫反应数据。研究重点对12个主要免疫群体进行了门控，并探索了它们对15种刺激条件（刺激包括：GM-CSF、IFNα2、LPS、IL-6、Resiquimod (R848)、IFNγ、TNFα、IFNβ*、CD40L soluble dimer (“MegaCD40L”)、PMA and ionomycin*、IL-12、IL-4、IL-2、Gamma-inactivated vegetative Bacillus anthracis Ames、Zaïre Ebolavirus-like particles）的反应，提供了细胞特异性免疫标志物的参考范围，并突出显示了跨性别和年龄的差异[4]（图4）。
图4. 使用质谱流式技术对健康个体进行免疫分析
质谱流式数据产生了2160个免疫“特征”，接着该研究分离了199个特征，这些特征是与主要生物反应相关的细胞类型中已知的刺激激活信号通路。通过相关性分析，文章将质谱流式生成的免疫特征与与供体之间的所有其他特征相关联，确定了免疫特征模块，这些模块表明存在基于跨细胞类型的信号通路反应的免疫系统的底层结构（图5）。各个模块具有自己的特征（图6）。
图5. 免疫变异能够检测主要由信号蛋白定义的反应模块
图6. 基于质谱流式生成的各反应模块的特征
在质谱流式生成免疫反应被划分成基于信号的模块后，该研究接下来试图确定该组织是否可以表征个体之间免疫状态的差异。文章关注的是这种模块化结构是否能够按性别分层（图7）。
图7. 通过免疫模块建模对男性和女性之间的免疫反应进行分析
通过构建预测模型，文章发现模块化结构可能捕获免疫状态的相关变异性，从而揭示免疫信号的性别差异。主要表现为男性供体的反应明显高于女性，主要在淋巴细胞中的pSTAT1和骨髓亚群中的pTBK1中检测到，而女性供体在单核细胞和中性粒细胞中的pERK1/2、pCREB和pP38特征水平较高，这与目前已知的研究一致（女性免疫系统已被证明在临床和细胞水平上具有比男性免疫系统更高的炎症表型）（图8）。
图8. 质谱流式揭示男性和女性具有不同的免疫反应特征
免疫反应因个体和个人健康史而异，独特的环境条件应共同决定免疫细胞的现状。然而，这种异质性背后的分子系统仍然难以捉摸。2022年，有研究对171个健康个体进行了系统性的单细胞测序和单细胞质谱流式分析[5]（图9）。
图9. 健康个体单细胞数据的生成和评估
文章发现不同个体之间的免疫细胞谱存在很大差异，这些模式甚至在同一个人内部也显示出每日波动。在T细胞和B细胞受体库也观察到类似的多样性（图10）。
图10. 质谱流式揭示七个健康个体中PBMC的多样性
健康状态下的详细免疫细胞图谱应提供必要的背景信息，以了解个体暴露于各种环境条件时的免疫反应。为了证明这一想法，文章对相同的人接种了流感疫苗和SARS-CoV-2疫苗进行了类似的单细胞分析（图11）。接种流感疫苗后，文章观察到几个特征，包括单核细胞（主要是CD14经典单核细胞）的扩增在接种疫苗后立即被检测为刺激的主要反应者，之后是PBMC中幼稚B细胞的暂时减少，CD4 T细胞和γδ T细胞也暂时减少，而CD8 T细胞，NK细胞和DC细胞保留其原始群体大小。在接种SARS-CoV-2疫苗后，观察到了类似的特征，但SARS-CoV-2对单核细胞的初始诱导通常更高，这也许与该疫苗在该个体中的炎症副作用（例如发烧和炎症）比流感疫苗更强的事实一致。
图11. 免疫细胞基因表达谱的扰动取决于流感疫苗接种
同时，文章也检测到个体之间对疫苗的不同反应（图12）。例如，H7个体最初具有较高比例的NK细胞，这与其免疫细胞谱的变化不如H1和H6相关。这一观察结果可能反映了该个体的高龄或在其原始状态下以NK细胞为中心的免疫细胞活性的普遍水平，可能基于该个体的病史。虽然这个人最终获得了足够的抗体水平，但获得的水平在某种程度上低于H1和H6。CD69水平的变化始终不那么显着，这反过来表明疫苗反应取决于个体的原始免疫状态。因此单细胞免疫细胞谱数据应成为了解可变免疫反应的基础数据资源，这些免疫反应对每个人来说是独一无二的。
图12. 质谱流式分析的H1、H6和H7接种SARS-CoV-2疫苗后细胞类型转变
免疫细胞谱会随着机体状态变化而发生变化。当机体在发生疾病时，直接将其免疫状态与健康时的免疫细胞图谱相比较，可以快速的了解免疫细胞的状态变化。重要的是，一旦疾病发展，健康状态的概况就会丢失。因此，应事先收集此类信息，应该需要“个人免疫学记录”，这些记录不仅可能包括数据资源，还包括储存的生物材料样本。
质谱流式技术（Mass Cytometry）在药物开发和生物制品表征中的潜力巨大。质谱流式细胞术将质谱技术与流式细胞仪相结合，能够实现对单个细胞的生化成分进行深入研究，帮助我们理解疾病机制，验证药物的效果，发现新的药物靶点以及增强生物制药质量控制。这在生物制品表征中非常有用，它可以帮助解决以下一些问题：
单细胞层次的分子表征：传统的质谱技术通常需要大量的样本以获取可靠的结果，而质谱流式技术则可以分析单个细胞的生化成分，这可以帮助我们更深入地理解细胞的生物学特性。
生物分子的定量分析：质谱流式技术可以对细胞内的生物分子进行定量分析，包括蛋白质、代谢物和其他生物分子。
细胞异质性的研究：细胞群体中的细胞并非完全相同，它们之间的差异可能影响疾病的发展和治疗的效果。质谱流式技术可以帮助我们研究这种细胞异质性。
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参考文献
[1] Brodin P, Davis MM. Human immune system variation. Nat Rev Immunol. 2017 Jan;17(1):21-29. doi: 10.1038/nri.2016.125. Epub 2016 Dec 5. PMID: 27916977; PMCID: PMC5328245.
[2] McComb S, Thiriot A, Akache B, Krishnan L, Stark F. Introduction to the Immune System. Methods Mol Biol. 2019;2024:1-24. doi: 10.1007/978-1-4939-9597-4_1. PMID: 31364040.
[3] Liston A, Humblet-Baron S, Duffy D, Goris A. Human immune diversity: from evolution to modernity. Nat Immunol. 2021 Dec;22(12):1479-1489. doi: 10.1038/s41590-021-01058-1. Epub 2021 Nov 18. PMID: 34795445.
[4] Fragiadakis GK, Bjornson-Hooper ZB, Madhireddy D, Sachs K, Chen H, McIlwain DR, Spitzer MH, Bendall SC, Nolan GP. Variation of Immune Cell Responses in Humans Reveals Sex-Specific Coordinated Signaling Across Cell Types. Front Immunol. 2022 Mar 28;13:867016. doi: 10.3389/fimmu.2022.867016. PMID: 35419006; PMCID: PMC8995898.
[5] Kashima Y, Kaneko K, Reteng P, Yoshitake N, Runtuwene LR, Nagasawa S, Onishi M, Seki M, Suzuki A, Sugano S, Sakata-Yanagimoto M, Imai Y, Nakayama-Hosoya K, Kawana-Tachikawa A, Mizutani T, Suzuki Y. Intensive single-cell analysis reveals immune-cell diversity among healthy individuals. Life Sci Alliance. 2022 Apr 5;5(7):e202201398. doi: 10.26508/lsa.202201398. PMID: 35383111; PMCID: PMC8983398.
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