Angew. Chem. ：给细胞贴标签的新材料——可用于单细胞多参数检测的金属螯合卟啉框架

在单细胞水平上对基因和蛋白质进行高通量定量分析已经成为血液学、肿瘤学和免疫学研究及相关重大疾病精准诊疗的重要技术手段。与荧光流式细胞术不同，基于飞行时间的质谱流式细胞术（CyTOF）因采用金属同位素作为标记信号源，而具有更高的分辨率和更高维的多参数化检测的优势，所以已迅速发展为单细胞蛋白检测的先进工具。

但目前CyTOF技术也并非完美：CyTOF理论上具有135个检测通道，可以高分辨的区分原子质量为75至209的金属同位素，但由于缺乏合适的标记材料，超过60 %的同位素通道尚未得到应用。此外，由于目前商业主要应用的金属螯合聚合物（MCP）标签载体的金属负载量较低，因而还不能对蛋白表达丰度低的体系进行高灵敏度的检测。目前这些问题限制了CyTOF技术在单细胞多参数灵敏检测上的广泛应用。

图1 基于 MPF 的 CyTOF 标记的结构和合成过程示意图

近日，浙江大学的罗英武教授、赵俊杰研究员和曾浔研究员首次构建了一类基于介孔卟啉框架（MPF）纳米颗粒的新型金属标记体系，实现了质谱流式技术的单细胞检测应用场景。该研究工作以单羧酸作为调制剂，通过水热合成得到了粒径<40 nm、粒径分布<0.104的PCN-224纳米颗粒。通过表面PEG化修饰提升了PCN-224 纳米颗粒在水溶液中的稳定分散，并有助于减少与蛋白质的非特异性相互作用。以此方法构建的介孔卟啉纳米颗粒，可通过较温和的条件实现卟啉金属化，从而将CyTOF所需的金属离子负载到卟啉框架载体中。最后通过偶联剂在其表面接枝抗体，就完成了CyTOF标签的构建。该项工作所制得的卟啉框架纳米颗粒载体能够实现Sn、Pt、W、Pd等金属的负载，而这其中很多元素此前都还未能被用于CyTOF检测；此类材料具有金属负载效率高、金属分布均匀、抗体接枝率高等特点，在pH中性的缓冲液中表现出良好的分散稳定性和化学稳定性。

图2. 基于MPF的CyTOF抗体标签的结构表征

该研究对基于MPF的CyTOF标签在不同浓度下的标记特异性和灵敏度进行了评估，结果表明该研究所开发的CyTOF标签非特异性结合程度低，能够特异性识别混合细胞中的阳性细胞群，并且检测灵敏度相比商业MCP金属标签提高29%。此外，这些CyTOF标签新材料在与商业MCP标签对于混合细胞的共染中表现出良好的兼容性，并实现了对外周血中复杂细胞样本进行有效的多标靶检测。

图3. 基于MPF的CyTOF标签对细胞染色的标记特异性、灵敏度、与商业MCP抗体标签的兼容性以及与商业抗体标签联用对外周血复杂细胞样本的多标靶检测

该工作为质谱流式技术提供了一种新的标签材料设计策略，将非镧系金属如Pd、Sn、W和Pt成功应用到CyTOF检测中，有望成为显著扩大CyTOF检测通道的有力工具。与商业MCP标签相比，该研究所报道的基于MPF的标签材料具有更高的灵敏度和相当的特异性。此外，MPF标签还与商业CyTOF标签兼容，能对复杂细胞样本的异质群体进行高通量多参数分析。这项研究对于血液学、肿瘤学和免疫学研究及相关重大疾病精准诊疗的发展具有积极意义。

论文信息

Metal-Chelatable Porphyrinic Frameworks for Single-Cell Multiplexing with Mass Cytometry

Yuan Chen , Guocan Wang , Ping Wang , Juan Liu , Hongyu Shi , Junjie Zhao* , Xun Zeng *, Yingwu Luo*

文章第一作者是浙江大学的博士生陈缘，罗英武教授、赵俊杰研究员和曾浔研究员是论文的通讯作者。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202208640