【化工儀器網 項目成果】單細胞分析不僅有助于揭示細胞在特定環(huán)境下的真正生理過程，還可以對稀有細胞群體進行無歧視的分析，這對全面了解細胞群體的分類、特定疾病背景條件下相關細胞亞型的發(fā)現以及疾病靶標的挖掘都具有十分重要的意義。近5年，北京大學化學與分子工程學院分析化學所白玉教授課題組在單細胞組學研究中取得一系列進展，通過設計基于質譜標簽的信號放大策略實現了微量生物樣本的多通道蛋白檢測(J. Am. Chem. Soc.2019, 141, 72)，發(fā)展了多維有機質譜流式分析平臺，實現了單細胞內多目標蛋白與百余種代謝物的同時分析，為腫瘤耐藥性機制研究提供新思路(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 1806)。課題組近期對基于質譜的單細胞組學分析領域的研究進展進行了綜述與展望(TrAC, Trends Anal. Chem. 2023, 164, 117086)。
 

　　單細胞代謝組學分析可以系統(tǒng)地“解讀”細胞的生理和功能狀態(tài)，對于揭示細胞表型異質性和闡明生物過程的分子機制至關重要。然而，由于現有單細胞代謝組學方法存在鑒定深度及其有限，單個細胞流式在線分析時間短導致無法獲得二級質譜信息，且不具備同分異構體區(qū)分能力等諸多難題，單細胞代謝組學研究從方法到應用均面臨巨大挑戰(zhàn)。針對上述挑戰(zhàn)，白玉課題組發(fā)展了深度有機質譜流式分析平臺，可實現在線高效的細胞裂解以及高分辨質譜分析，單個細胞分析時間較現有技術延長40倍，可獲得豐富的用于代謝物鑒定的譜圖，單細胞代謝物鑒定數目可達600種，實現了普適性的單細胞異構體定性定量分析(圖1)，并揭示了MCF-7乳腺癌細胞存在的精細亞型。研究成果以“In-depth organic mass cytometry revealsdifferential contents of 3-hydroxybutanoicacid at the single-cell level”為題，于2024年5月23日發(fā)表在《自然-通訊》期刊上(Nature Commun. 2024,15,4387)。
 

圖1. 深度有機質譜流式分析平臺的工作原理示意圖
 

　　深度有機質譜流式分析平臺由在線高效單細胞裂解裝置和非接觸電噴霧高分辨質譜組成。細胞通過迪恩流的流體作用在分離毛細管中實現單分散，鞘液毛細管通過T型三通的方式與分離毛細管同軸連接。細胞與鞘液接觸后，通過在線冰浴超聲促進細胞有效裂解和代謝物管內分散。在連續(xù)單細胞進樣條件下，每個單細胞可以獲得約25秒的平均分析時間，該時間內可有效采集高分辨率的一級以及二級質譜信息。大量的二級質譜數據也使得同分異構體鑒定和相對定量成為可能(圖2)。
 

圖2 基于二級質譜信息的單細胞代謝物深度分析
 

　　基于不同類型腫瘤細胞的代謝物信息證實了該流式平臺具有普適性的細胞分型能力和異構體代謝物區(qū)分能力。利用3-羥基丁酸/4-羥基丁酸的異構體相對含量信息，通過UMAP可視化方法可成功實現MCF-7細胞的3種亞型精細區(qū)分。結合10×Genomics單細胞測序實驗、蛋白質印跡實驗以及熒光流式分選實驗，該研究從轉錄組學水平以及蛋白表達水平均證實了3-羥基丁酸的豐度差異是導致腫瘤細胞分型的主要原因，且3-羥基丁酸與其下游多種抗氧化應激靶蛋白的表達量呈正相關，例如金屬硫蛋白MT2A以及異質核糖核蛋白hnRNPA1，提示3-羥基丁酸的豐度差異性可能賦予腫瘤細胞不同的抵抗氧化應激環(huán)境的能力。該工作首次觀察到MCF-7細胞可能存在潛在的細胞亞型，為深入理解腫瘤異質性以及乳腺癌精準治療提供了新思路。
 

圖3.基于代謝物和異構體的腫瘤細胞可視化聚類和精細分
 

　　圖4 10×Genomics單細胞轉錄組測序MCF-7細胞的UMAP可視化結果、不同細胞簇間MT2A和hnRNP A1的歸一化表達水平以及BHB相對豐度上述基因表達水平的變化
 

　　白玉是該論文的通訊作者，化學與分子工程學院博士研究生秦少杰是該論文的第一作者。該研究成果得到國家自然科學基金委、科技部和北京分子科學國家研究中心等機構的資助。研究工作中測序數據分析得到北京大學生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心文路副研究員、盧健森同學以及于紅敏同學的大力支持，該研究還得到國家蛋白質科學研究(北京)北大分中心質譜平臺劉棟老師的大力幫助。
 

　　原標題：化學學院白玉課題組發(fā)展深度有機質譜流式方法在單細胞水平揭示3-羥基丁酸的豐度異質性