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淚液的采集方法、處理過(guò)程及不同采樣方式對(duì)檢測結果的影響分析
2023-01-05

眼睛分泌的淚液不僅具有濕潤眼球和免疫與防禦功能(néng),還(hái)含有大量與人體生理病理相關的信息。攝入的藥物或毒品也可能(néng)經(jīng)由淚液分泌排出。此外,由于眼睛直接暴露于空氣中,空氣中的揮發(fā)物、氣溶膠與可溶性顆粒也可能(néng)進(jìn)入眼睛而轉移至淚液中。所以,淚液的成(chéng)分分析在疾病診斷、藥物分析、毒品檢測以及環境健康等相關領域具有重要意義。因此,可通過(guò)淚液建立非侵入性診斷方法,能(néng)夠加深我們對(duì)眼部和全身性疾病的了解。


01

常用的淚液采集方法

最常見的兩(liǎng)種(zhǒng)淚液樣品采集方法包括毛細管(capillary)法和淚液分泌試紙(Schirmer strip)法。此外,還(hái)有以吸收劑爲基礎的方法(如海綿和眼部沖洗法)等。

Capillary法是將(jiāng)玻璃毛細管的尖端置于淚河下緣,通過(guò)毛細管作用,從結膜囊中采集淚液(如圖1-A)。這(zhè)種(zhǒng)方法要求采集人員具有更多的經(jīng)驗,特别是對(duì)于淚液量較少的幹眼症患者,操作具有挑戰性,且患者的體驗感較差。然而,該方法能(néng)夠最大限度地減小對(duì)眼表組織的接觸刺激。

Schirmer strip法用濾紙收集淚液時,將(jiāng)濾紙在下眼睑結膜囊内放置5分鍾即可(如圖1-B)。該方法除用于淚液采樣外,也是眼科臨床中評價眼内淚液量的标準測試工具。

圖1 Capillary法與Schirmer strip法淚液采集示意圖

由于操作和原理不同,這(zhè)兩(liǎng)種(zhǒng)方法可能(néng)會導緻蛋白質組學(xué)數據和分析結果的不同。


02

樣品後(hòu)處理過(guò)程對(duì)樣品檢測的影響

淚液樣品的采集後(hòu)處理過(guò)程也會影響檢測的蛋白質種(zhǒng)類。如Aleksandra K. Denisin等人的研究表明,Schirmer strip法采集的樣本後(hòu)處理對(duì)人類淚液樣本蛋白質組成(chéng)有影響[1]。其中以擴散爲基礎的蛋白質洗脫是最廣泛報道(dào)的蛋白質提取策略。爲了研究Schirmer strip法采集後(hòu)處理對(duì)蛋白含量的影響,研究人員複制了臨床Schirmer strip法對(duì)蛋白的收集和儲存過(guò)程(如圖2),計算不同蛋白的濾紙條保留率以及處理過(guò)程的損失率,結果見圖3A,蛋白的提取效率跟蛋白種(zhǒng)類有關,提取率在7%~84%之間。

圖2 基于Schirmerd的淚液收集和分析操作方法示意圖

爲了進(jìn)一步分析造成(chéng)這(zhè)種(zhǒng)結果的原因,作者從蛋白質本身的生化性質,如分子量、表面(miàn)正負電荷以及表面(miàn)親水作用等三個方面(miàn)進(jìn)行研究。結果表明(圖3B~D)分子量與蛋白質保留率和蛋白損失率均呈正相關,而疏水表面(miàn)積僅與蛋白質保留率呈正相關,蛋白質在濾紙條上的保留程度和樣品處理過(guò)程中的損失與蛋白質的表面(miàn)電荷或表面(miàn)親水性無關。


圖3 分析結果圖

(A)蛋白質種(zhǒng)類與提取效率範圍圖(橫坐标:提取效率;縱坐标:蛋白質種(zhǒng)類);(B~D)蛋白質的生化性質對(duì)提取體系中蛋白質保留與損失的影響(B:分子量的影響C:表面(miàn)電荷的影響D:表面(miàn)親水性的影響)


03

采用SWATH-MS分析不同采樣方式的

淚液樣品的蛋白質成(chéng)分

1、方法

除了淚液樣品采集後(hòu)處理過(guò)程影響分析結果外,采集方法以及分析方法也會影響分析結果。例如,Janika Nättinen等人在視覺與眼科學(xué)研究協會(ARVO)的官方雜志Translational Vision Science & Technology (TVST)上發(fā)表了題爲“Comparison of Capillary and Schirmer Strip Tear Fluid Sampling Methods Using SWATH-MS Proteomics Approach”的文章[2],采用SWATH-MS蛋白質組學(xué)來測試通過(guò)淚液分泌試紙(Schirmer strip)法和毛細管(Capillary)法采集的淚液樣品之間蛋白質組成(chéng)的差異。


本研究首次以序列窗口采集離子譜質譜(sequential window acquisition of all theoretical mass spectra, SWATH-MS)的形式,對(duì)來自同一病人的Schirmer strip法與capillary法采集的樣品的蛋白譜進(jìn)行比較。樣品分别采用單獨的譜庫(capillary、Schirmer strip)與組合的、全面(miàn)的譜庫(capillary與Schirmer strip)進(jìn)行解析處理(如圖4所示),分别使用單獨的譜庫(Capillary-specific spectral library與Schirmer strip-specific spectral library)對(duì)相應的樣品(Approach 1)進(jìn)行分析,使用組合的譜庫(Combined spectral library)分别對(duì)單獨的樣品(Approach 2)以及組合的樣品(Approach 3)進(jìn)行分析,得到蛋白質圖譜并對(duì)比不同的分析方法對(duì)兩(liǎng)種(zhǒng)采樣方法之間相對(duì)蛋白質表達水平的差異。

圖4 樣品與數據分析流程圖


2、分析結果

兩(liǎng)個采集方法得到的數據集有316種(zhǒng)相同的蛋白質,capillary法獨有88種(zhǒng),Schirmer strip法有592種(zhǒng)獨特的蛋白質(圖5-a)。細胞組分GO term 結果顯示,capillary法特有的蛋白質中來自細胞外區域、蛋白複合物和膜相關的蛋白質比例更高(圖5-b);雖然細胞相關蛋白的比例沒(méi)有統計學(xué)差異,但Schirmer strip法樣品所特有的蛋白質中則包含更多的細胞和細胞器特異性相關的蛋白質,兩(liǎng)種(zhǒng)方法細胞和代謝過(guò)程相關的蛋白質所占比例相似(圖5-c)。兩(liǎng)種(zhǒng)方法中分子功能(néng)結構域的蛋白質與催化活性相關的蛋白質所占比例不同,Schirmer strip法中催化活性相關的蛋白所占比例較高(圖5-d)。采用組合的譜庫分析Schirmer strip與capillary樣品,兩(liǎng)個數據集總共有761種(zhǒng)蛋白質是相同的,其中capillary數據集有9種(zhǒng)獨特的蛋白質,Schirmer strip數據集有80種(zhǒng)獨特的蛋白質(圖5-e)

圖5 來自capillary (藍色)和Schirmer strip (紅色)淚液樣品的蛋白質組學(xué)數據的比較

a~d:來自capillary (藍色)和Schirmer strip (紅色)蛋白質組學(xué)數據的比較(Approach 1);e:用組合譜庫分别處理capillary和Schirmer strip采集的淚液樣品的比較(Approach 2);f~g:組合譜庫處理capillary和Schirmer strip采集的淚液樣品的比較(Approach 3)

采用組合的譜庫分析組合的樣品集數據表明,Schirmer strip與capillary樣品的蛋白質表達譜不同,根據層次聚類樹狀圖(圖5-f)和主成(chéng)分分析(圖5-g)結果顯示,兩(liǎng)種(zhǒng)樣品類型非常清楚地分爲兩(liǎng)組。作者進(jìn)一步地對(duì)兩(liǎng)種(zhǒng)方法中P值最低的20種(zhǒng)蛋白質進(jìn)行生物學(xué)分析,結果表明,與Schirmer strip相比,與免疫應答和補體通路以及内吞作用、角化和組織發(fā)育相關的蛋白質在capillary樣品中表達水平更高,而與細胞死亡和存活以及自由基清除相關的蛋白則在Schirmer strip中具有更高的表達。


因此,本研究提供了用SWATH-MS檢測樣本類型之間潛在的蛋白質譜差異的信息,從而根據不同的研究對(duì)象選擇最合适的采樣和分析方法,并進(jìn)行綜合分析。


04

淚液檢測的相關應用

Liang Hu等研究者使用Schirmer試紙收集淚液和建立從淚液中破譯疾病秘密的iTEARS方法,來揭示淚液外泌體在眼部疾病和其他疾病(如神經(jīng)退行性疾病和癌症)的關系和用于疾病分類和病程監測[3]


另外,有科學(xué)家用Schirmer試紙條收集淚液用于詳細的蛋白質分析,建立一種(zhǒng)試紙條内蛋白質消化方法,并結合高能(néng)碰撞解離和Orbitrap Fusion Tribrid質譜儀,從11名健康受試者的淚液樣本中鑒定出3370種(zhǒng)蛋白。也有研究者對(duì)采集淚液中的細胞因子進(jìn)行檢測,并檢測到IL-1β、TNF-α、TSLP,以及其水平與淚膜破裂時間值、角膜熒光素染色評分的相關性。


結語


在科研人員與眼科醫生共同努力下,淚液收集和檢測方法在不斷完善。随着科學(xué)技術(如分析技術)的發(fā)展和進(jìn)步,淚液在診療疾病方面(miàn)將(jiāng)能(néng)夠應用于臨床。淚液分析在持續監測健康方面(miàn)具有前所未有的潛在優勢,相信這(zhè)種(zhǒng)技術可以進(jìn)一步提升我們對(duì)疾病的預防與診斷能(néng)力。考慮到淚液分析在臨床上的使用潛力和眼科領域的迅速發(fā)展,我們有理由相信,在不久的將(jiāng)來,淚液的分析結果將(jiāng)成(chéng)爲監測臨床健康狀況的重要常規檢測指标之一。




參考資料:

[1] Nttinen J, Aapola U, Jylh A, et al. Comparison of capillary and schirmer strip tear fluid sampling methods using SWATH-MS proteomics approach[J]. Translational Vision Science & Technology, 2020, 9(3).

[2] Denisin A K, Karns K, Herr A E, et al. Post-collection processing of Schirmer strip-collected human tear fluid impacts protein content[J]. Analyst, 2012, 137(21):5088-5096.

[3] Liang H, Ting Z, Huixiang M, et al. Discovering the secret of diseases by incorporated tear exosomes analysis via rapid-isolation system: iTEARS[J]. American Chemical Society Nano, 2022,16(8):11720-11732.

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