空间代谢组学是组学研究的一个新兴领域,它使组织切片中的代谢物、脂质和药物定位成为可能,这在二十年前还被认为是不可能实现的。空间代谢组学及其支持技术——成像质谱——产生了大量的高光谱成像数据,推动了计算代谢组学和图像分析交叉领域定制计算方法的发展。实验和计算的发展最近为空间代谢组学在生命科学和生物医学中的应用打开了大门。与此同时,这些进步与机器学习、深度学习和人工智能的快速发展相吻合,它们正在改变我们的日常生活,并有望彻底改变生物学和医疗保健。在这里,我们通过计算科学家的眼光介绍空间代谢组学,回顾突出的挑战,展望未来,并讨论人类和人工智能不断融合所带来的机遇。
2024年Synthx Texas Chemical Biology Young Resuctigator讲座:用于深入脂质组学和药物 - 蛋白质相互作用的微型质谱学XIN YAN助理教授,德克萨斯州A&M University
预印本(未通过同行评审认证)是作者/资助者。保留所有权利。未经许可就不允许重复使用。此版本的版权持有人于2025年1月21日发布。 https://doi.org/10.1101/2025.01.20.633932 doi:biorxiv Preprint
关于Vachet博士。 Richard Vachet是马萨诸塞大学阿默斯特大学化学系的教授。 他获得了博士学位。从1997年至1999年,北卡罗来纳大学 - 教堂山山的分析化学专业,并在美国海军研究实验室进行了博士后研究,担任国家研究委员会博士后研究助理。 他于1999年在马萨诸塞州阿默斯特大学开始了独立职业。 他目前的研究重点是(a)基于质谱的方法来研究蛋白质淀粉样蛋白形成的方法; (b)开发新工具来研究蛋白质疗法的高阶结构; (c)生物系统中纳米材料药物输送剂的检测和成像。 他已经发表了170多种经过同行评审的期刊文章,并曾是美国质谱学会杂志编辑委员会成员和分析化学的特征小组。 组网页:https://elements.chem.umass.edu/vachetgroup/关于Vachet博士。Richard Vachet是马萨诸塞大学阿默斯特大学化学系的教授。 他获得了博士学位。从1997年至1999年,北卡罗来纳大学 - 教堂山山的分析化学专业,并在美国海军研究实验室进行了博士后研究,担任国家研究委员会博士后研究助理。 他于1999年在马萨诸塞州阿默斯特大学开始了独立职业。 他目前的研究重点是(a)基于质谱的方法来研究蛋白质淀粉样蛋白形成的方法; (b)开发新工具来研究蛋白质疗法的高阶结构; (c)生物系统中纳米材料药物输送剂的检测和成像。 他已经发表了170多种经过同行评审的期刊文章,并曾是美国质谱学会杂志编辑委员会成员和分析化学的特征小组。 组网页:https://elements.chem.umass.edu/vachetgroup/Richard Vachet是马萨诸塞大学阿默斯特大学化学系的教授。他获得了博士学位。从1997年至1999年,北卡罗来纳大学 - 教堂山山的分析化学专业,并在美国海军研究实验室进行了博士后研究,担任国家研究委员会博士后研究助理。他于1999年在马萨诸塞州阿默斯特大学开始了独立职业。他目前的研究重点是(a)基于质谱的方法来研究蛋白质淀粉样蛋白形成的方法; (b)开发新工具来研究蛋白质疗法的高阶结构; (c)生物系统中纳米材料药物输送剂的检测和成像。他已经发表了170多种经过同行评审的期刊文章,并曾是美国质谱学会杂志编辑委员会成员和分析化学的特征小组。组网页:https://elements.chem.umass.edu/vachetgroup/
1程序概述1.1背景生活科学是对生物体和生命过程的研究。它包含了几个古典科学学科,包括生物学,生物化学,医学,药房,化学和生物工程的各个方面,因此有助于解决从医疗保健和营养到全球变暖的许多社会挑战。传统上认为是基于定性实验的科学,但新技术的出现,例如下一代测序,超分辨率成像和高分辨率的质谱学,导致了大量的定量数据,为对生活的最基本过程提供了更深入了解的机会。根据伽利略的说法:“数学是上帝写的宇宙的语言”,或者用S. devi的话语“数学是解决自然构成的难题的系统努力”。定量生命科学将生物系统与数学联系起来。在上个世纪,由于主要的分子和处理细胞生物学和相互作用的不同分子和过程,活生物体仍然被认为对于定量评估和计算建模太复杂。此外,任何生物体都会暴露于多种环境因素和异种生物,从而进一步影响有机体功能和行为。在21世纪,情况发生了巨大变化。现代的实验技术出现了,允许对活有机体进行全面分析,这些生物被称为OMICS科学。例如,现代质谱可以在测量时间的几个小时内获取生物样品的分子组成和含量的信息。同样,如今,可以在数十亿个核苷酸中包含遗传信息的整个生物体的基因组进行测序,从而在数小时或几天内测序,从而在许多实验室中每月生成每月数据的Terabytes。同时,现代数据科学在过去十年中赶上了这一开发,提供了适当的硬件来存储和处理所获得的大量数据。借助机器学习和人工智能等新颖方法,科学家现在不仅能够管理大数据集,而且还可以从生物学数据库中提取有意义的见解,并最终从生物学数据库中提取知识。所有这些事态发展均要求一项主计划,反映了建筑商大学提供的生命科学中的这些发展。为了利用这一大量数据并在这个大数据时代进行成功的研究,科学家需要逻辑严格和数值素养,使他们能够分析和解释这些新的数据形式。特此信息技术领域的当前发展,例如高性能计算和机器学习,将证明针对这些目标的宝贵工具。此外,开发利用这些新技术的全部潜力的新假设和设计实验需要深入了解它们的范围和局限性。掌握这些技能对于参与生活科学领域的这一持续革命至关重要,并在学术界和工业的科学研究中扮演领导角色。因此,与古典生活科学相反,定量生命科学强调了通过实验测量获得的数值数据,并通过数学和现代数据科学的工具进行了处理和概括。
BioMérieux的专有高级光谱分类器可帮助实验室提供准确的结果,以支持明智的治疗决策。Vitek MS系统将每个频谱读取为一系列峰,这些峰被质量和强度检测到并分类,提供了稳健而准确的性能,而无需修改得分。该数据库的构建考虑了多样性,包括用于不同样品起源的光谱(例如,血液,组织),在各种培养基上培养的分离物以及具有不同孵化时间的光谱。这导致了同一物种内物种和菌株之间更好的区分。vitek MS知识库v3.2包括综合性数据库更新,诺卡氏菌和模具,包括布鲁氏菌,念珠菌和伊丽莎白·埃里兹本·阿纳希利斯。在质谱系统上快速识别这些困难的生物的能力使微生物学家能够为临床医生提供可行的结果,从而有助于对诸如结核病等疾病的更快治疗。vitek MS在识别分枝杆菌,诺卡氏菌和模具方面的出色表现,可以快速向医生释放结果以获得更好的患者护理。这有助于医院节省金钱(分子探针;测序;发送)和时间(内部测试;更快地识别这些困难的生物)。Vitek MS v3.2数据库现在包括对实验室人员危害的布鲁氏菌种,但可以与系统迅速识别。念珠菌和伊丽莎白·埃里萨伯氏菌动脉藻是具有临床意义的新的新兴病原体。vitek MS旨在优化微生物实验室的工作流程。其4型滑动容量可以通过四位不同的技术人员平行制备样品,从而可以同时测试每次运行多达192个分离株。使用Vitek MS Prep Station,系统提供引导幻灯片准备和与AST的无缝集成。重点是最小化动手时间,Vitek MS启用了当天ID和AST(带有Vitek 2)结果,从而使实验室可以专注于更多增值任务。BioMérieux的Myla解决方案为各种尺寸的实验室(1-192个样本/运行)提供了高级中间件功能。它提供了Vitek MS和Vitek 2的ID和AST结果的实时报告和无缝集成。这会提高实验室效率和信心。Vitek MS系统通过提供完全的可追溯性和灵活性来对这些改进产生重大贡献。试剂和一次性设备上的条形码可通过AST结果自动链接,从而提高了整体准确性。一次性幻灯片进一步降低了由于污染而导致错误结果的风险,并最大程度地减少了化学安全危害。BioMérieux的专有晚期光谱分类器(ASC)使用加权bin矩阵来构建其知识基础参考菌株数据库。这包括来自1,316个分类单元,207个霉菌和酵母,16个Nocardia和39个分枝杆菌的数据,每个物种平均有40个参考光谱,涵盖应变变化,培养基类型和生长条件。ASC中的binning算法可以实现置信度大于99%的生物体的明确识别。这是通过分析每个光谱中的1,300个数据点而不是比较光谱模式来实现的。该过程会导致快速分析时间,并提高了现有方法的准确性。Vitek MS通过在几分钟内提供微生物识别来支持抗菌管理计划。它为实验室人员和临床医生提供了好处,包括启动最佳治疗的快速和可行的结果。在广泛覆盖临床上重要的生物和高度准确的结果的情况下,Vitek MS有助于降低住院时间,总医院成本和死亡率。该系统在临床上具有重要意义的生物的全面数据库提供了快速的结果,可改善阳性患者的结局并减少最佳抗生素疗法的时间。它的好处也扩展到实验室人员,使他们能够识别以前难以使用传统方法ID的生物。具有1,316种生物的综合数据库生长,包括分枝杆菌,诺卡氏菌,布鲁氏菌,念珠菌和伊丽莎白·埃里扎贝林亚山脉。使用Vitek 2易感性测试的用户友好的软件集成流线工作流程。该系统通过快速识别生物体并开始适当的治疗来有助于减少住院时间。研究表明,对生物的结果具有很高的信心,减少了治疗时间并最大程度地减少成本。参考文献:[研究列表]质谱学通过在分析前和分析后阶段之间提供自动联系来彻底改变微生物实验室的自动化。这项创新使自动化电路完成了测试和报告,从而导致微生物学实验室。Vitek MS系统是飞行质谱仪的基质辅助激光解吸时间,可快速鉴定出来自临床培养的微生物。该仪器及其伴随预备站和采集站简化了识别微生物并提供准确结果的过程。Vitek MS系统是一种分子诊断工具,已集成到实验室中,以提供单个患者样本及其测试结果的完整跟踪和验证。这种集成允许与其他实验室仪器和实验室信息系统(LIS)无缝连接,从而使所有数据都可以在一个地方访问和查看。几个出版物强调了使用Vitek MS来识别各种媒体类型的阳性患者样本的可靠性,安全性和效率。这些研究表明,MALDI-TOF质谱法在鉴定诺卡氏症,分枝杆菌和其他微生物方面的准确性。新的BioMérieuxVitek MS v3.0数据库已通过许多研究验证,包括ECCMID 2017和ASM 2017会议。这些研究表明,数据库可有效地以高精度识别霉菌,分枝杆菌和Nocardia菌株。除了其临床应用外,还将MALDI-TOF质谱法与其他识别方法(包括Vitek MS和商业数据库)进行了比较。这些比较强调了在实验室环境中使用MALDI-TOF的优势。此外,一项研究还评估了Vitek MS系统的性能,以识别医学上重要的酵母菌。该技术还用于鉴定固体培养物上的皮肤植物,在鉴定之前迅速使分枝杆菌和诺卡氏菌种类灭活,并区分肺炎链球菌和pseudopococcus pseudopoccus pseudopoccus。此外,它已与16S rRNA和回旋基因测序结合在一起,实际上鉴定了临床重要的Viridans组链球菌。总体而言,Vitek MS系统和MALDI-TOF质谱法证明了它们在实验室环境中的可靠性,安全性和效率,以识别广泛的微生物。几项研究已经比较并评估了不同基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)系统的性能,以识别各种类型的微生物。这些研究包括对两个MALDI-TOF MS系统的比较评估,即Vitek MS和Microflex LT,以鉴定革兰氏阳性球形; Bruker Microflex LT和Vitek MS MALDI-TOF质谱系统的性能和可靠性,用于鉴定临床微生物;比较和优化两个MALDI-TOF MS平台,用于鉴定医学相关的酵母菌; Vitek MS v2.0 Maldi-TOF质谱系统的多中心验证,用于鉴定刺眼的革兰氏阴性细菌; Vitek MS系统的多中心评估,用于非肠杆菌科革兰氏革兰氏阴性杆菌的质谱鉴定;使用Vitek MS系统对厌氧菌细菌质谱鉴定的多中心评估;以及对飞行质谱系统的Vitek MS矩阵辅助激光解吸时间的多中心评估,用于鉴定革兰氏阳性有氧细菌。