如何采集丰富的单细胞代谢组信息

注：文末有本文作者科研思路分析

细胞是构成生命体的基本单位，也是人们探索生命奥秘、阐释疾病机理的重要研究对象。在传统的细胞生物学研究中，人们以群体细胞作为研究对象，已经探索出许多疾病的致病机制和治疗方法。随着生命科学的发展，研究者逐渐意识到，世界上没有两个完全相同的细胞，即单个细胞之间也存在着差异。这种差异性在细胞分化、肿瘤耐药等生命过程中扮演着至关重要的角色。因此，为了阐明这些与生物发育、疾病治疗息息相关的重大生命问题，以单细胞作为研究对象，致力于发展针对单个细胞的研究方法是至关重要的。质谱法由于具有无需标记、能实现多组分同时分析、能对未知分子进行结构鉴定的优点，在近些年来逐渐用于单细胞的代谢物分析。然而，一个肿瘤单细胞的体积仅为1皮升左右，目前的质谱分析手段在分析如此小体积的样品时，难以采集到长时间的信号来进行多级质谱分析，从而限制了未知成分的结构鉴定，导致单细胞组学研究的数据难以充分获取。

为了解决这一问题，清华大学的张新荣（点击查看介绍）课题组与中国医学科学院药物研究所的再帕尔•阿不力孜（点击查看介绍）课题组通力合作，开发了一种将液滴萃取（Droplet Extraction）与皮升电喷雾（Pico-ESI）联用的分析方法，成功应用于单个神经胶质瘤细胞的代谢组分析中。该方法利用微液滴有效萃取单个细胞中的代谢物，随后使用自制的皮升电喷雾离子源，让萃取液在每分钟皮升级的低流速下进行高分辨质谱分析。该方法既能除去单细胞样品中的基质干扰，又能大大延长样品的信号采集时间，从而在单个神经胶质瘤细胞中采集超过600张二级质谱图，鉴定出超过300个磷脂类分子及其它代谢物。

利用该方法，团队成员不仅在单细胞水平成功区分出神经胶质瘤细胞和正常神经细胞，还发现神经胶质瘤细胞中的不饱和磷脂酰胆碱显著高于正常细胞。除此之外，团队成员通过对二级质谱的深度剖析，发现在神经胶质瘤细胞中存在同分异构体磷脂酰胆碱PC (17:1)和磷脂酰乙醇胺PE (20:1)，而正常神经细胞中仅含有PC (17:1)。这些发现有望作为识别神经胶质瘤细胞和正常神经细胞的生物标志物。由于该方法具有灵敏度高、稳定性强、信息丰富等优点，未来还将用于更多单细胞水平生命过程的研究中。

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，论文的共同第一作者是清华大学的博士研究生张晓超和中国医学科学院药物研究所的臧清策博士，通讯作者是再帕尔•阿不力孜教授和张新荣教授。

该论文作者为：Xiao-Chao Zhang, Qingce Zang, Hansen Zhao, Xiaoxiao Ma, Xingyu Pan, Jiaxin Feng, Sichun Zhang, Ruiping Zhang, Zeper Abliz and Xinrong Zhang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Combination of Droplet Extraction and Pico-ESI-MS Allows the Identification of Metabolites from Single Cancer Cells

Anal. Chem., 2018, 90, 9897, DOI: 10.1021/acs.analchem.8b02098

导师介绍

张新荣

http://www.x-mol.com/university/faculty/12052

再帕尔•阿不力孜

http://www.x-mol.com/university/faculty/27236

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：我们最初的目的是开发一种灵敏度高、信号采集时间长的单细胞代谢组分析方法。在单细胞质谱分析领域，目前大多数的方法都基于纳升电喷雾，这类方法在分析皮升级单细胞样品的时候，信号只能持续10秒左右，难以采集到大量的二级质谱。有些研究者会采用稀释样品的方式来增大样品体积，这样虽然能延长信号持续时间，但会降低灵敏度，许多低丰度待测物难以测出。所以，我们的研究初衷就是解决这一个挑战性的问题。再帕尔•阿不力孜教授课题组有丰富的代谢组学研究经验，张新荣教授课题组有多年单细胞质谱分析方法的研发经历，因此双方一拍即合，共同完成了这项研究。

Q：研究中遇到哪些挑战？

A：最大的挑战在于分析方法的稳定性。目前所有的单细胞质谱分析技术都依赖于实验人员的手工操作，市场上并没有自动化的仪器或工具。传统方法在对单细胞进行采样的时候，往往通过将玻璃针刺入单个细胞，吸取其中的细胞质来进行分析。这种方法在分析贴壁细胞时，针尖容易碎裂，所以操作难度大，失败率很高，采样体积也容易波动。为了解决这些重要的技术问题，我们不断优化方法，最后确定了使用液滴萃取的方式来进行单细胞采样。该方法不同于将玻璃针刺入细胞的传统采样方式，液滴萃取是将预置在玻璃针内的萃取剂推出，通过针尖形成的小液滴来萃取整个细胞，针尖和细胞并不会直接接触，大大提高了方法的稳定性。我们通过30次重复操作得到的相对标准偏差（RSD）仅为12%，由此说明该方法是稳定可靠的。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或者研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：这项研究成果主要展现了该方法较强的单细胞代谢组数据采集与剖析能力。目前我们将该方法用于肿瘤单细胞与正常细胞的区分中，这将有助于癌症的早期筛查。除此之外，我们的方法也非常适合于研究干细胞分化、癌细胞耐药、靶向药物筛选等研究。我们热情欢迎感兴趣的企业或者研究组与我们合作，在单细胞分析领域取得更多优异的成果。