細(xì)胞異質(zhì)性是生物體的基本特征，在生理和病理過程中均發(fā)揮關(guān)鍵作用。作為時下最炙手可熱的研究領(lǐng)域，單細(xì)胞分析技術(shù)能夠分析單個細(xì)胞的復(fù)雜性，深化對細(xì)胞異質(zhì)性在細(xì)胞功能、生物體發(fā)育及疾病中作用的認(rèn)識。其中單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)自出現(xiàn)以來已經(jīng)逐漸成熟，而單細(xì)胞代謝組學(xué)技術(shù)一直處于探索階段。
2026年2月9日，百趣生物首席科學(xué)家中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心朱正江研究員及其團(tuán)隊在全球生命科學(xué)領(lǐng)域方法論研究頂級期刊nature methods(IF=32.1)發(fā)表題為“Deep-coverage single-cell metabolomics enabled by ion mobility-resolved mass cytometry”的研究論文。
本研究率先使用離子淌度質(zhì)譜流式技術(shù)(ion mobility-resolved mass cytometry technology)，創(chuàng)造性地結(jié)合高通量單細(xì)胞注射技術(shù)和離子淌度質(zhì)譜，顯著提升了單細(xì)胞代謝物檢測的靈敏度、穩(wěn)定性。并結(jié)合自研的MetCell深度單細(xì)胞代謝組學(xué)數(shù)據(jù)處理平臺，實現(xiàn)了在單細(xì)胞中超過5000個代謝物的檢測，其中約800個代謝物使用了MS2鑒定，比之現(xiàn)有的技術(shù)方法提升了3-10倍，并具有廣泛的代謝物監(jiān)測動態(tài)范圍，靈敏度低至阿托摩爾級（10ˉ18 mol）。
研究團(tuán)隊使用該技術(shù)對衰老小鼠的45603個原代肝細(xì)胞進(jìn)行了分析，對細(xì)胞的類型及代謝分型進(jìn)行了精準(zhǔn)注釋，揭示了肝細(xì)胞衰老過程中存在的獨(dú)特代謝狀態(tài)與異質(zhì)性。
文章標(biāo)題：Deep-coverage single-cell metabolomics enabled by ion mobility-resolved mass cytometry
發(fā)表期刊：nature methods
影響因子：32.1
研究結(jié)論
01. 離子遷移質(zhì)譜流式技術(shù)
事實上基于質(zhì)譜技術(shù)與流式細(xì)胞技術(shù)整合的質(zhì)譜流式技術(shù)已經(jīng)在單細(xì)胞分析中嶄露頭角，然而單純的質(zhì)譜流式技術(shù)在檢測的靈敏度、穩(wěn)定性和覆蓋深度方面存在巨大挑戰(zhàn)。由于單細(xì)胞中代謝物的濃度通常會低至10ˉ18 mol，極低的濃度導(dǎo)致質(zhì)譜儀采集到的信噪比(signal-to-noise ratios, SNRs)極低，進(jìn)而影響代謝組學(xué)檢測的靈敏度和穩(wěn)定性。而離子淌度技術(shù)(ion mobility, IM)能夠根據(jù)代謝物離子的大小，形狀以及碰撞截面積(collision cross-section, CCS)將代謝物的離子在氣相中預(yù)先分離，更重要的是IM分離前的選擇性離子積累，能夠大幅增強(qiáng)代謝物離子的信號同時減少其他細(xì)胞組分對信號的干擾。研究團(tuán)隊將這兩大模塊創(chuàng)造性的結(jié)合在一起，開發(fā)了離子淌度質(zhì)譜流式技術(shù)（圖1a）。
圖1. 離子淌度質(zhì)譜流式技術(shù)
該方法實現(xiàn)了25-40個細(xì)胞每分鐘的高通量檢測速度，更重要的是使用該方法具有高達(dá)94.3%的單細(xì)胞事件率，根據(jù)高速攝像機(jī)的拍攝顯示，在毛細(xì)管內(nèi)觀察到的88個細(xì)胞事件中，有83個被確認(rèn)為單細(xì)胞事件（圖2a,b）。
圖2. 基于離子淌度質(zhì)譜的單細(xì)胞代謝組學(xué)分析
同時IM技術(shù)的引入，可以在IM分離前對離子進(jìn)行選擇性的富集，從而減少脂質(zhì)等細(xì)胞內(nèi)其他組分的干擾（圖1a），研究團(tuán)隊通過調(diào)整IM采集數(shù)據(jù)的富集時間以及調(diào)整IM斜坡電壓，以利于提高系統(tǒng)對于低質(zhì)量范圍離子的信號采集效率（圖1b），顯著提高了低質(zhì)量范圍離子的信號強(qiáng)度，對于m/z小于400Da和200Da的離子分別增加了4倍和12倍（圖1c）。
02. 細(xì)胞疊加法用于提升峰檢測穩(wěn)定性
然而單純的提高靈敏度并不能完全解決問題，極低的SNRs會進(jìn)一步放大噪音信號對數(shù)據(jù)的影響，導(dǎo)致大量缺失值，最終使得數(shù)據(jù)難以精確分析（圖3a）。為了解決這個問題研究團(tuán)隊開發(fā)了一種基于細(xì)胞疊加的技術(shù)路線，實現(xiàn)了在保持細(xì)胞異質(zhì)性特征的基礎(chǔ)上，提升單細(xì)胞代謝物檢測的穩(wěn)定性（圖3b）。主要包括兩步：（1）通過細(xì)胞疊加實現(xiàn)穩(wěn)定的峰檢測；（2）在單個細(xì)胞中對檢測到的峰進(jìn)行靶向提取。如乙酰肉堿在疊加了600個細(xì)胞的信號后，其SNR從3.3提升到了157.6（圖3c,d），通過這樣的方法，研究團(tuán)隊觀測到，在100個測試的代謝物中SNR的中位數(shù)提升了33倍（圖3f）。經(jīng)過細(xì)胞疊加后，再對單個細(xì)胞中代謝物進(jìn)行靶向提取，就能夠顯著降低代謝物的缺失率，同樣以乙酰肉堿為例，其缺失率從83%降低到了1%（圖3g），對于整體100個測試代謝物的缺失率從82%降低至6%（圖3i）。
圖3. 通過細(xì)胞疊加技術(shù)實現(xiàn)穩(wěn)健的單細(xì)胞代謝譜分析
03. MetCell工作流程
由于單細(xì)胞代謝數(shù)據(jù)量巨大以及數(shù)據(jù)的特殊性，研究團(tuán)隊自研了針對離子淌度質(zhì)譜的單細(xì)胞代謝數(shù)據(jù)分析平臺MetCell，能夠一站式完成單細(xì)胞數(shù)據(jù)采集、細(xì)胞疊加、峰檢測、峰定量、代謝物注釋全流程工作（圖4a）。在對HepG2細(xì)胞系的120分鐘的檢測時間內(nèi)，共采集到3094個細(xì)胞（圖4b），在單個細(xì)胞中檢測到5718個代謝物（或特征峰），并通過MS1和CCS值鑒定出了其中的1356個代謝物（圖4c），并對其中的1350個代謝物進(jìn)行了MS2鑒定，按照MSI（國際代謝組學(xué)標(biāo)準(zhǔn)倡議）的標(biāo)準(zhǔn)分別鑒定出了，188個Level 1代謝物、126個Level 2代謝物、332個Level 3代謝物和124個Level 4代謝物（圖4d）。研究團(tuán)隊同時使用該平臺測試了其他不同的細(xì)胞類型，分別檢測出了5074-6975個代謝物（或特征峰），并通過MS2鑒定出了其中的533-622個代謝物（圖4f,g）。值得注意的是，本次跨細(xì)胞研究中共有389種代謝物使用了化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行了驗證，是迄今為止所有單細(xì)胞代謝研究中報道最多的，而其他方法，目前還僅僅停留在MS1鑒定水平，少量MS2匹配也基本沒有使用化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行驗證。
圖4. MetCell單細(xì)胞代謝組學(xué)工作流程
04.單細(xì)胞代謝組學(xué)中的定量靈敏度
在解決了代謝物鑒定的問題后，研究團(tuán)隊為了進(jìn)一步評估本方法對于代謝物定量的靈敏度，將同一份細(xì)胞樣本提取后分為兩份，分別進(jìn)行傳統(tǒng)LC-MS代謝組學(xué)技術(shù)與單細(xì)胞代謝技術(shù)分析（圖5a）。LC-MS檢測數(shù)據(jù)表明，細(xì)胞中腺嘌呤的含量為18.4±1.4 amol/細(xì)胞，這與單細(xì)胞代謝技術(shù)測得的腺嘌呤中位值相符，通過數(shù)據(jù)換算得到單細(xì)胞代謝技術(shù)測得腺嘌呤濃度為7.5-32.4 amol/細(xì)胞（圖5b），通過計算SNR，預(yù)估本方法對于腺嘌呤得檢測限為8.2 amol/細(xì)胞，使用同樣的方法研究團(tuán)隊分析了煙酰胺、精氨酸和丙氨酸在單細(xì)胞中得濃度，其檢測限分別為54.7 amol/細(xì)胞、0.9 fmol/細(xì)胞和2.8 fmol/細(xì)胞（圖5c）。根據(jù)此前的研究報道96%的代謝物在細(xì)胞中的濃度大于1 amol/細(xì)胞，使得大多數(shù)代謝物都可能使用本研究的技術(shù)被檢測到。
圖5. 單細(xì)胞代謝組學(xué)的定量靈敏度
05. 小鼠肝臟細(xì)胞類型的代謝注釋
最后研究團(tuán)隊使用離子淌度質(zhì)譜流式技術(shù)對衰老小鼠肝臟進(jìn)行了大規(guī)模單細(xì)胞代謝組學(xué)研究，成功實現(xiàn)了代謝物在細(xì)胞類型注釋中的應(yīng)用。研究團(tuán)隊分別收集了年輕組和老年組小鼠樣本（圖6a)，通過單細(xì)胞代謝技術(shù)，共采集到45603個細(xì)胞，其中年輕組24055個細(xì)胞，老年組21548個細(xì)胞，共檢測到5659個代謝物（或特征峰）并鑒定了其中的809個代謝物（圖6b,c）。為了研究不同的肝細(xì)胞類型，研究團(tuán)隊分離了四種主要的肝細(xì)胞類型，肝細(xì)胞、肝竇內(nèi)皮細(xì)胞(LSECs)、庫普弗細(xì)胞和肝星狀細(xì)胞(HSCs)，并通過單細(xì)胞代謝技術(shù)在不同細(xì)胞類型中鑒定出了特異性標(biāo)志代謝物（如，肝細(xì)胞中麥芽四糖和麥芽三糖水平會顯著升高）（圖6d），基于這些代謝標(biāo)志物，研究團(tuán)隊實現(xiàn)了對不同肝細(xì)胞的單細(xì)胞代謝分類（圖6e,g）。總而言之，研究團(tuán)隊成功標(biāo)注了25,370個肝細(xì)胞、2,898個HSCs、3,333個庫普弗細(xì)胞和6,935個LSECs，充分展現(xiàn)了本方法的強(qiáng)大能力。
圖6. 小鼠肝臟細(xì)胞類型的代謝注釋
研究總結(jié)
本研究將高通量單細(xì)胞注射技術(shù)結(jié)合離子淌度質(zhì)譜實現(xiàn)了高通量單細(xì)胞代謝組學(xué)檢測，實現(xiàn)了在單細(xì)胞中超過5000個代謝物的檢出，其中約800個代謝物使用了MS2信息進(jìn)行了準(zhǔn)確鑒定，將單細(xì)胞代謝組學(xué)技術(shù)推進(jìn)到了新的時代。
關(guān)于百趣生物
百趣生物專注于創(chuàng)新質(zhì)譜技術(shù)在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)健康、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。經(jīng)過十多年的發(fā)展，公司建立了以代謝組學(xué)為核心的科研服務(wù)；以創(chuàng)新質(zhì)譜試劑CDMO為核心的醫(yī)學(xué)服務(wù)以及以基于質(zhì)譜技術(shù)的藥物質(zhì)量研究為核心的藥企服務(wù)的三大服務(wù)平臺，是一家集科研服務(wù)、醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)化服務(wù)、生物醫(yī)藥服務(wù)于一體的專業(yè)技術(shù)服務(wù)企業(yè)。
經(jīng)過十多年的發(fā)展，現(xiàn)已建成20000+代謝物標(biāo)準(zhǔn)品自建庫，技術(shù)實力行業(yè)領(lǐng)先。百趣生物協(xié)助合作伙伴在代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)領(lǐng)域的文章發(fā)表數(shù)量超3,000篇，平均影響因子超10分。擁有多項國內(nèi)首個II類及III類創(chuàng)新產(chǎn)品成功注冊經(jīng)驗，并成功支持了國內(nèi)第一款I(lǐng)I類創(chuàng)新產(chǎn)品-兒茶酚胺及其代謝物測定試劑盒的成功注冊。目前，百趣生物已經(jīng)與超1,000家藥企建立聯(lián)系與項目合作，涵蓋理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)表征、活性、原輔料檢測等領(lǐng)域，為其提供醫(yī)藥研發(fā)、申報及上市全生命周期的質(zhì)量研究解決方案，加速藥物研發(fā)走向?qū)嶋H應(yīng)用。
百趣生物成立以來，相繼被認(rèn)定為國家高新技術(shù)企業(yè)、專精特新企業(yè)、上海市科技小巨人（培育）企業(yè)、高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化項目、上海市科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金資助項目。目前已取得BSL-2備案、CMA、CNAS、ISO13485、ISO9001等認(rèn)證，同時百趣生物及其下屬公司共擁有126項專利及軟件著作權(quán)。
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