基于质谱的单细胞代谢分析研究进展

作者及机构
本文由Xuming Sun、Yi Yu、Kun Qian、Jiayi Wang*和Lin Huang*共同撰写。作者团队来自多个研究机构，包括上海交通大学医学院附属胸科医院临床检验科（Department of Clinical Laboratory Medicine, Shanghai Chest Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine）、上海胸科医院上海交通大学医学院胸科肿瘤研究所（Shanghai Institute of Thoracic Oncology, Shanghai Chest Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine）、新乡医学院医学工程学院（School of Medical Engineering, Xinxiang Medical University）、上海交通大学医学院生物医学工程学院（School of Biomedical Engineering, Shanghai Jiao Tong University）等。该综述发表于《Small Methods》期刊，2024年第8卷，文章编号2301317。

研究背景与主题
单细胞分析能够研究单个细胞内的生物分子，揭示细胞异质性（cellular heterogeneity）及其背后的生物学机制。代谢物（metabolites）作为细胞内的关键小分子（分子量通常低于1000 Da），对环境变化极为敏感，可反映细胞的生理状态。然而，单细胞代谢分析面临诸多挑战，如代谢物浓度极低、含量差异大、周转速率快等。质谱技术（mass spectrometry, MS）因其高灵敏度、宽动态范围和优异的选择性，成为单细胞代谢分析的重要工具。本文综述了近年来基于质谱的单细胞代谢分析技术进展，涵盖单细胞分离、检测和应用三个关键步骤，并展望了其在生物医学领域的潜在影响。

主要观点及论据

1. 单细胞分离技术
   高效、快速分离单个细胞是单细胞代谢分析的前提。目前主要技术包括微操作（micromanipulation）和微流控（microfluidics）。

   • 微操作技术：通过显微操作或激光捕获显微切割（laser capture microdissection, LCM）分离单个细胞。例如，Chang等人利用微毛细管插入活细胞，实现了血管紧张素转换酶2（ACE2）的活体质谱检测。LCM技术则可用于神经元和植物细胞的分离，但可能干扰细胞代谢状态。
     
   • 微流控技术：分为液滴微流控（droplet microfluidics）、微孔阵列（microwell arrays）和管式微流控（tube-based microfluidics）。液滴微流控将细胞封装在纳升至皮升级液滴中，但存在随机分布问题；微孔阵列通过重力沉降捕获细胞，但效率较低；管式微流控则通过微流控探针实现高空间分辨率操作。
     

2. 单细胞检测技术
   质谱技术因其高选择性和灵敏度，成为单细胞代谢分析的核心。主要电离技术包括：

   • 电喷雾电离质谱（ESI-MS）：尤其是纳升电喷雾（nano-ESI），可高效电离小体积样品。例如，Masujima首次实现了活体单细胞质谱分析。
     
   • 激光解吸/电离质谱（LDI-MS）：如基质辅助激光解吸电离（MALDI）技术，Zenobi团队开发了微阵列芯片，实现了酵母单细胞代谢的高通量检测。
     
   • 二次离子质谱（SIMS）：具有亚微米级空间分辨率，适用于亚细胞代谢成像。例如，Winograd团队利用气体簇离子束（GCIB）实现了小鼠海马神经元磷脂的高分辨率成像。
     

3. 单细胞代谢分析的应用
   单细胞代谢分析在生物医学领域具有广泛价值：

   • 癌症研究：揭示肿瘤细胞的代谢异质性，如Feng等人通过微流控芯片区分了肝癌细胞（HepG2）和乳腺癌细胞（MCF7）的代谢差异。
     
   • 生物发育：研究胚胎发育中的代谢变化，如Onjiko团队利用毛细管电泳质谱（CE-MS）分析了非洲爪蟾胚胎细胞的代谢差异。
     
   • 神经科学：探索神经元代谢与疾病关系，如Xiong团队结合诱导纳升电喷雾（iNEST）和膜片钳技术，发现了紫外线照射下小鼠脑中谷氨酸生物合成的新途径。
     

研究意义与价值
本文系统总结了基于质谱的单细胞代谢分析技术进展，突出了其在解析细胞异质性、疾病机制和生物发育中的重要作用。尽管当前技术仍面临原位检测、空间分辨率和代谢物鉴定等挑战，但质谱技术的不断创新将为生命科学和医学研究提供更强大的工具。

亮点
- 技术全面性：涵盖单细胞分离、检测和应用的完整流程。
- 方法创新：介绍了多种新型质谱技术（如iNEST、GCIB-SIMS）及其在单细胞分析中的优势。
- 应用广泛性：展示了单细胞代谢分析在癌症、发育和神经科学中的实际价值。

本文为研究者提供了单细胞代谢分析的技术路线图，并展望了其在精准医学和生物医学研究中的潜在应用。