細胞作為構成生命的基本單位具有異質(zhì)性，單細胞代謝組學(single-cell metabolomics, SCM)從細胞層面揭示代謝過程的復雜性和多樣性，對于探究疾病發(fā)生、發(fā)展及精準醫(yī)療等至關重要。此前SCM面臨諸多技術挑戰(zhàn)，包括小分子代謝物穩(wěn)健檢測困難、樣本通量有限、數(shù)據(jù)重復性差，限制了其在生物學、醫(yī)學等領域的廣泛應用。
2025年9月5日，歐洲分子生物學實驗室Theodore Alexandrov團隊在Cell雜志上發(fā)表了題目為“HT SpaceM: A high-throughput and reproducible method for small-molecule single-cell metabolomics”的文章。該研究結合AP-SMALDI5 AF & Q Exactive Plus Orbitrap質(zhì)譜成像技術、定制載玻片細胞制備和批量處理技術，開發(fā)了HT SpaceM——一種高通量、高重現(xiàn)性單細胞代謝組學方法，結合提出的功能全面的數(shù)據(jù)分析框架，為單細胞小分子代謝物分析提供了革命性工具，同時拓展了MALDI質(zhì)譜成像技術在單細胞代謝組學高通量應用。
(點擊查看大圖)
技術創(chuàng)新與優(yōu)勢
超高通量設計，樣本處理效率躍升
HT SpaceM創(chuàng)新工作流程采用了激光刻蝕定制化多孔載玻片，將樣本孔數(shù)量提升至40個，配合可拆卸的細胞制備腔室，經(jīng)過全切片顯微鏡成像與AP-SMALDI5 AF & Q Exactive Plus Orbitrap質(zhì)譜成像分析，結合細胞分割算法Cellpose和以及跨孔批處理分析，能夠在同一塊載玻片處理高達40個樣品，每個樣品可對超過1000個細胞進行分析，適用于各種細胞類型，大幅降低批次效應，極大地提高了單細胞級別代謝物檢測的通量。
HT SpaceM 工作流程
(點擊查看大圖)
標準化數(shù)據(jù)分析框架，數(shù)據(jù)解讀更系統(tǒng)
研究人員提出并驗證了一套單細胞代謝組學數(shù)據(jù)分析框架，該框架整合了質(zhì)量控制、無監(jiān)督聚類、重復性評估、變異性分析、代謝物結構驗證、富集分析與創(chuàng)新的單細胞共豐度代謝網(wǎng)絡等分析方法。使用該框架，研究者能夠更深入地理解多維度空間代謝組數(shù)據(jù)，識別保守代謝通路、樞紐代謝物以及細胞異質(zhì)性。
HT SpaceM數(shù)據(jù)分析框架
(點擊查看大圖)
小分子代謝物高覆蓋、高重現(xiàn)性分析
通過使用高精度的AP-SMALDI5 AF & Q Exactive Plus Orbitrap質(zhì)譜成像平臺，HT SpaceM能夠在單細胞內(nèi)檢測到>100種小分子代謝物，覆蓋了主要的類別和通路小分子，包括氨基酸、核苷酸、脂肪酸和碳水化合物等。
高靈敏度與高可重復性是新興SCM技術的核心要求。HT SpaceM在孔間與玻片間可重復性高，多數(shù)檢測代謝物變異性低。同一載玻片內(nèi)約76%的玻片內(nèi)孔與孔之間相關系數(shù)（R）≥0.97，不同載玻片的樣本相關性(R)仍高達0.88~0.99，且不受細胞系的影響，81.48%代謝物的CV值≤20%。HT SpaceM檢測結果通過與常規(guī)液質(zhì)聯(lián)用Orbitrap Exploris 240代謝組學數(shù)據(jù)的對比，驗證了工作流程的準確性。
HT SpaceM高重現(xiàn)性、低變異性，代謝物檢測匹配Orbitrap Exploris 240檢測結果(點擊查看大圖)
解鎖多場景應用潛力
解析腫瘤細胞代謝異質(zhì)性
使用HT SpaceM對9種NCI-60腫瘤細胞系（涵蓋乳腺癌、結腸癌、肺癌等）和HeLa細胞進行分析，共檢測到202種小分子離子。單細胞譜圖的 UMAP 顯示，細胞按細胞系清晰聚類，孔重復樣本間可重復性高。進一步通過無監(jiān)督聚類和“一對一”差異分析，揭示細胞系特異性標志代謝物。此外，富集分析可為代謝類別與通路的差異表達提供深入見解，結合代謝共豐度網(wǎng)絡構建，有助于揭示關鍵代謝樞紐或協(xié)同代謝程序。
9種NCI-60和Hela細胞系單細胞代謝特征
(點擊查看大圖)
藥物干預下的單細胞代謝動態(tài)
為了進一步探究HT SpaceM在藥物研究中的適用性，研究人員對經(jīng)糖酵解抑制劑2-DG處理12h、24h后的HeLa細胞分別進行譜圖分析。HT SpaceM精準捕捉到明顯的代謝變化，且變化符合2-DG的預期效應：葡萄糖積累、糖酵解抑制、檸檬酸水平升高等。單細胞代謝網(wǎng)絡分析顯示，多個通路中代謝協(xié)調(diào)關系發(fā)生改變，藥物處理后以葡萄糖為中心重構代謝網(wǎng)絡。聚類分析識別出三個細胞亞群，表明細胞對處理響應存在異質(zhì)性，為藥物響應差異研究提供新視角。
糖酵解抑制后出現(xiàn)的代謝協(xié)同與細胞異質(zhì)性
(點擊查看大圖)
單細胞代謝組學科研新思路
HT SpaceM 基于MALDI質(zhì)譜成像系統(tǒng)，解決了此前SCM 面臨的核心痛點，提供高通量、可靠的SCM數(shù)據(jù)，使其特別適用于臨床珍貴的樣本，如循環(huán)腫瘤細胞、免疫細胞或活檢樣本等，為單細胞代謝組學高通量分析提供了全新的技術平臺。
左：AP-SMALDI5 AF Orbitrap質(zhì)譜成像系統(tǒng)
右：Orbitrap Exploris 240高分辨液質(zhì)聯(lián)用儀
AP-SMALDI Orbitrap質(zhì)譜成像系統(tǒng)除了分析單細胞代謝物空間定位外，還可以作為一種進樣方式，為單細胞代謝組學提供高通量定量分析。本研究采用AP-SMALDI5 AF & Q Exactive Plus Orbitrap質(zhì)譜成像系統(tǒng)，其3μm高空間分辨確?？梢?strong>實現(xiàn)單細胞水平分析，Orbitrap的超高分辨率、超高質(zhì)量精度以及超高靈敏度，確保了低豐度小分子代謝物的可靠檢測，為整個工作流程提供了核心硬件支撐。文中代謝物結構驗證的LC-MS/MS分析，選用Orbitrap Exploris 240，其24萬分辨率及Compound Discover數(shù)據(jù)庫為代謝物注釋提供了可靠的保障。
10
都匀市|
成安县|
榆社县|
长海县|
乌审旗|
泸西县|
黄浦区|
丹凤县|
呼伦贝尔市|
满洲里市|
历史|
曲靖市|
平罗县|
郎溪县|
广汉市|
三台县|
隆德县|
临泽县|
始兴县|
内丘县|
宜兰市|
闵行区|
佛教|
于都县|
沂源县|
万安县|
南昌县|
股票|
华容县|
灵川县|
唐海县|
天水市|
淳化县|
西乌珠穆沁旗|
胶南市|
余江县|
米林县|
辽宁省|
广东省|
桐庐县|
连州市|
立即詢價
您提交后，專屬客服將第一時間為您服務