空间蛋白质组学作为蛋白质组学研究的革命性技术，极大地推动和颠覆了精准医学的研究模式。早在2019年，Nature正刊发表了芝加哥大学Ernst Lengyel与德国马普所Matthias Mann等团队针对卵巢癌以及卵巢癌附近基质的空间蛋白质组学研究成果，成功揭示了NNMT作为基质细胞对肿瘤转移的关键调控靶点。2022年12月，Cell正刊以封面文章形式发表了又一空间蛋白组学里程碑式成果，揭示了从完整小鼠和人类器官分离的目标区域的空间蛋白组分子图谱。
后续的系列研究也印证了空间蛋白质组学具有的广泛应用前景和科学前瞻性。例如：首篇宫颈鳞癌整合空间组学分析系统表征了宫颈鳞状细胞癌的肿瘤异质性，揭示了特定的肿瘤细胞状态与肿瘤免疫微环境的双向互作及机制【景杰合作】。对食蟹猕猴不同发育阶段以及大脑的不同区域的156个样本进行时空蛋白质组学分析，揭示了多个大脑区域全面的时空蛋白质组特征【景杰合作】；采用空间蛋白质组学技术构建了分层皮肤蛋白质组图谱，发现基质蛋白作为干细胞微环境在调控皮肤表皮干细胞生长中起着重要作用。
近日，蛋白质组学领域大牛，德国马克斯普朗克生物化学研究所Matthias Mann团队，联合德国路德维希·马克西米利安大学Lars E. French、福建医科大学纪超团队，在国际学术顶刊Nature（IF=50.5）上在线发表了题为“Spatial proteomics identifies JAKi as treatment for a lethal skin disease”[1]的重大研究成果。研究团队利用10X 空间蛋白质组学技术，揭示了皮肤药物反应的机制，及不同皮肤药物不良反应（CARD）的分子特征，并验证了靶向小分子抑制剂JAKi对中毒性表皮坏死松解症（TEN）的治疗潜力。该研究通过对3种不同严重程度的，经过福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）的皮肤活检组织进行10X 空间蛋白质组学分析，结果共鉴定到角质形成细胞和皮肤浸润免疫细胞中的5000多种蛋白质。在单细胞维度和空间维度研究了皮肤药物反应机制，系统地绘制了TEN相关的分子变化，揭示了JAK/STAT和干扰素信号通路是TEN的关键致病驱动因素，并证明了靶向JAKi作为治疗疗法的潜力。中毒性表皮坏死松解症 (Toxic epidermal necrolysis，TEN) 是一种由常见药物引起的致命性皮肤不良反应，患者会因角质形成细胞死亡而出现严重且突然的表皮脱落，近三分之一病例有生命危险。尽管已有研究提出了驱动角质形成细胞死亡的分子机制[2-4]，然而TEN的主要驱动因素仍然未知，且尚无有效的TEN治疗方法。为了表征不同严重程度患者的分子景观，研究团队对3种不同程度的皮肤不良药物反应(CADR)患者（轻度-自发性斑丘疹MPR，重度-TEN或全身症状的药物反应DRESS）及健康个体的FFPE皮肤活检样本进行了10X 空间蛋白质组学检测。首先对CD45免疫细胞和泛细胞角蛋白角质细胞的FFPE组织切片进行了染色，然后基于机器学习对细胞进行边界分割及激光显微切割，最终将不同患者不同细胞类型的样本分别进行质谱检测（图1）。研究团队在每种细胞类型中鉴定出了大约5000种独特的蛋白质，其中角质形成细胞和免疫细胞具有不同的特征。 进一步地，为了确定疾病和细胞类型特异性的分子机制，研究团队首先分析了来自CADR的病变角质形成细胞的蛋白质表达谱。根据药物反应类型进行聚类分析，与钙稳态和细胞应激反应相关蛋白质（HSPA5、TMCO1和ATP2A2）密切相关的主成分1（PC1）将TEN与其他CADRs显著区分。与健康个体的细胞相比，差异表达蛋白的数量随着CADR的严重程度而增加。在TEN患者角质形成细胞中，许多与抗菌反应有关，例如溶菌酶和凝聚素存在显著差异。研究团队还发现WARS1是差异最显著的蛋白质之一，该蛋白受到炎症信号和IFNγ诱导，且尚未报道与TEN相关。此外，为了识别与特定CADR唯一相关的角质形成细胞的蛋白质特征，研究团队分析了差异表达蛋白（DEP）的层次聚类，结果显示TEN在三个不同的蛋白质簇之间有明显的分离。几乎所有补体因子在TEN的角质形成细胞中都特异性上调，并且与角质形成细胞的死亡程度相关。 接下来，研究团队分析了病变免疫细胞的蛋白质组结果。TEN具有以STAT1为主要驱动者的主导干扰素特征。无监督分层聚类分析揭示了三个与疾病类型完美对应的视觉上明显不同的蛋白质簇。簇1主要包含与1型和2型干扰素信号传导相关的蛋白质，在TEN中显著上调（图2）。 尽管上述结果表明了干扰素通路在TEN的作用，但并没有明确表明具体与哪种免疫细胞有关。为了进一步研究TEN中的免疫机制，研究团队利用带有参考通道的多路复用数据独立采集 (mDIA) 工作流程和用于10X 空间蛋白质组学工作流程的Orbitrap Astral质谱仪，对TEN和SJS-TEN重叠患者的皮肤中浸润的CD163+巨噬细胞、CD4+辅助T细胞和CD8+细胞毒性T细胞进行了蛋白质组学研究，共检测出5302个蛋白质。巨噬细胞中与干扰素途径相关的蛋白质表达最高，潜在表明其IFNγ受体表达量更高。此外，骨髓特异性谱系标记物（MNDA和MRC1）及干扰素驱动蛋白（STAT1和GBP5）存在显著富集（图3）。 研究团队进一步研究了同一活检组织中分离的水疱顶部（Detached）及水疱侧面（Attached）的角质形成细胞之间的空间差异。分析结果显示，补体系统和炎症相关的蛋白在位于TEN顶部和侧面的角质形成细胞中均上调，且多个补体与炎症相关的蛋白质可分离病变和健康细胞，表明驱动TEN的炎症途径已经在水疱皮肤附近的角质形成细胞中被激活（图3）。![]()
严重炎症性疾病的特征是细胞串扰和反馈回路改变从而加剧免疫反应，因此作者假设在角质形成细胞和免疫细胞中都受到强烈调节的蛋白能鉴别出与治疗相关的通路。结果发现，与健康对照相比，TEN的角质形成细胞和免疫细胞中的六种蛋白（WARS1、STAT1、S100A9、LYZ、GBP1 和 APOL2）上调至少四倍。所有六种蛋白质都位于干扰素途径中，通过STAT1传递或被激活信号转导。研究团队进一步检查了JAK/STAT途径传递信号中的所有分子，发现STAT1和STAT3在免疫细胞和角质形成细胞中均上调，而STAT2仅在角质形成细胞中上调，STAT5在免疫细胞中上调。此外，大多数干扰素刺激基因（ISG）产物要么显著上调，如GBP1增加9倍，要么仅在TEN中可检测到，如GBP5。研究团队进一步采用靶向转录组学和免疫组化染色探究了JAK/STAT通路在CADR中的变化，结果均证明JAK/STAT通路的激活是TEN的关键驱动因素。图4 JAK/STAT 通路在 TEN 中被有效激活 为了进一步探索前期发现的临床意义，研究团队开发了TEN的体外模型，并探究靶向JAK/STAT通路是否能有效治疗TEN。实验结果发现，JAK抑制剂托法替尼（tofacitinib）或JAK1/2抑制剂巴瑞替尼（baricitinib）在体外模型和小鼠模型上均表现出了良好的治疗效果。 随后研究团队让患有TEN或SJS-TEN的病人使用了目前已用于治疗特应性皮炎的JAK1抑制剂阿布昔替尼（abrocitinib），所有病人均表现出良好的治疗效果。临床试验结果展示了JAK1及泛JAK抑制剂治疗TEN的潜在价值（图5）。综上所述，该研究通过使用10X 空间蛋白质组学技术，对药物诱导的皮肤反应患者的FFPE皮肤切片中角质形成细胞和免疫细胞进行了分析，结果在每种细胞类型中鉴定到多达5000种蛋白质。最终揭示了JAK/STAT和干扰素信号通路是TEN的关键致病驱动因素，并证明了靶向JAKi作为疾病治疗的潜力，对治疗干预CADR的分子机制提供了重要见解。本研究的亮点在于，不同于以往的空间蛋白组研究大都只揭示与疾病相关的某种细胞类型，及细胞异质性、微环境景观等；本研究则是将空间蛋白组直接与疾病联系起来，发现了疾病具体的关键驱动因素（通路），并通过验证证实了鉴定到的通路关键因子的抑制剂作为药靶的潜力，更贴近临床应用，更精确地落地到治疗方法，具有更深刻的转化研究意义。近年来，空间蛋白质组学已被应用于精准医学研究的多个方面，且可以从多角度阐释疾病进展和治疗靶标。例如：1. 探究细胞类型异质性：其可区分不同细胞类型的蛋白质表达和丰度，这对于理解细胞异质性和细胞间通讯至关重要；2. 探究疾病分子病理机制：正如本文中，通过分析不同程度皮肤不良药物反应患者的角质形成细胞和免疫细胞揭示特定疾病状态下的蛋白质变化，发现JAK/STAT和干扰素信号通路是TEN的关键致病驱动因素，有助于阐明疾病的分子机制；3. 发现药物靶标：正如本文内容，靶向JAK/STAT通路的治疗方法在体外和小鼠模型中显示出良好的效果，因此进一步在TEN和SJS-TEN患者中应用的JAK1抑制剂阿布昔替尼也取得了积极的临床结果，提示JAK1i作为药物靶标的潜力。
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