综述：基于质谱的单细胞代谢组学与代谢追踪分析

《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：Mass spectrometry-based single-cell metabolomics and metabolic tracing analysis

单细胞代谢组学结合质谱技术揭示细胞代谢异质性及其在疾病中的动态变化，为精准诊疗提供新视角。

　　

Xinying Zhu | Jia Yi | Liang Qiao

复旦大学闵行医院化学系，上海，200000，中国

摘要

代谢异质性在塑造细胞命运、调节细胞功能以及调整疾病进展中起着关键作用，然而使用批量测量方法仍难以对其进行准确解析。近期在单细胞代谢物分析技术方面的突破为精确描述单个细胞之间的代谢差异提供了新的机会。单细胞代谢组学可以分析细胞内代谢物的分布及其在不同细胞间的差异，从而揭示代谢异质性及其与细胞状态和疾病表型的关联。此外，单细胞代谢追踪技术通过同位素标记动态追踪代谢物的转化过程，有助于了解活性代谢途径的使用情况以及细胞内的代谢活动。质谱技术在单细胞代谢分析中发挥着重要作用，因其具有高灵敏度和宽动态范围，能够全面分析低丰度代谢物。质谱基础上的单细胞代谢组学与代谢追踪技术的结合，使得在单细胞分辨率下进行动态、定量的代谢物分析成为可能，从而支持对细胞代谢过程的空间和时间解析。尽管取得了这些进展，但由于代谢物丰度低和化学多样性高，完全重建单细胞水平的代谢网络仍然具有挑战性。本文总结了基于质谱的单细胞代谢组学和代谢追踪技术的最新进展，涵盖了单细胞分离、检测、数据分析和应用等方面。我们进一步讨论了未来的发展方向和转化应用潜力，强调了单细胞代谢谱分析和追踪如何有助于实现更高分辨率的机制研究，并可能为早期诊断和治疗开发提供依据。

引言

细胞不仅是生物体结构的基本构建单元，也是调节生命过程的核心单位，对繁殖、生长和适应等功能至关重要[[1], [2], [3]]。传统上，细胞信息是通过汇总大量细胞的数据来获得的[4]。然而，基于群体的平均值可能无法准确反映单个细胞的行为[5]。越来越多的研究表明，即使细胞群体在表型上相似或在基因上相同，由于生物过程的固有随机性，它们仍表现出显著的生化和功能差异[6,7]。此外，细胞异质性在肿瘤发生、衰老、免疫和发育等多个关键生物现象中起着关键作用[8,9]。因此，人们越来越需要单细胞分析来探索细胞多样性并了解单个细胞对不同刺激的反应。

近年来，随着快速、高通量和高灵敏度分析技术的进步，单细胞分析受到了广泛关注[10]。单细胞组学在揭示细胞异质性、识别新的细胞类型和功能表型以及发现亚群体间的代谢程序变异方面发挥了重要作用[11,12]。在各种组学领域中，代谢组学因其专注于代谢途径终点的代谢产物而脱颖而出[13,14]。与基因、转录本和蛋白质相比，代谢物能更直观地反映生物体的生理状态和代谢过程。作为新兴且发展迅速的领域，单细胞代谢组学补充了单细胞基因组学、转录组学和蛋白质组学的进展，实现了更全面的单细胞分析[[15], [16], [17]]。然而，由于细胞体积极小、缺乏扩增策略以及代谢物结构和不稳定性的复杂性，这项技术仍然面临诸多挑战。

质谱（MS）已成为单细胞分析的强大工具，能够以高灵敏度和特异性检测单个细胞中的微量分析物[15,19]。质谱技术可以实现代谢物的非靶向鉴定和结构表征，揭示丰富的化学多样性[10,20]。当与稳定同位素追踪技术结合使用时，质谱能够提供关于代谢途径活动的宝贵信息，帮助研究人员追踪细胞代谢过程中的代谢物转化[21]。这一能力有助于阐明在不同生理条件下的代谢网络变化，为生命科学、临床诊断和药物开发等领域提供重要信息。

本文探讨了基于质谱的单细胞代谢组学和代谢追踪技术，重点介绍了单细胞分离技术、单细胞代谢组学、单细胞代谢追踪及其生物学应用（图1）。首先，我们描述了快速高效的单细胞分离技术；接着，全面概述了最新的质谱离子化技术及其在单细胞代谢组学和代谢追踪中的应用进展，并介绍了专门的数据分析方法；随后，我们总结了在癌症微环境和免疫过程研究中的典型应用；最后，讨论了该领域当前面临的挑战和未来的研究方向。与现有的综述相比[5,6,10,19,20,[22], [23], [24]]，本文重点关注过去两年内基于质谱的单细胞代谢物分析的最新进展，并探讨了以往综述中未涉及的特定研究内容。

单细胞分离和处理技术

单细胞分离是开展单细胞代谢分析的关键步骤。通常使用产量和质量这两个关键参数来评估单细胞分离技术[25,26]。目前，单细胞分离正从手动操作向自动化过程转变[27]。虽然手动细胞分离概念简单，但由于程序复杂且耗时，不适合大规模研究[28]。不当的处理方式还可能引发其他并发症。

单细胞代谢组学：从分析技术到数据分析

由于单细胞内代谢物的丰度低、结构复杂、不稳定且动态范围广，检测和分析单个细胞内的代谢物具有挑战性[5,83]。单细胞代谢组学需要精确的样品制备以及高灵敏度和高精度的检测方法[19,84,85]。质谱技术凭借其高灵敏度、高特异性、高通量和与分离技术的良好兼容性，已成为主要的分析手段。

单细胞代谢追踪

代谢物通过一系列酶的作用产生和利用，这些酶将外部营养物质转化为可利用的能量和生物合成前体[21]。在代谢过程中，代谢物的浓度会波动：合成时浓度增加，而在后续生化反应中被消耗时浓度降低[157]。在稳态条件下，必须维持每种代谢中间体的流入和流出之间的平衡[175]。虽然单细胞代谢组学……

单细胞代谢组学和代谢追踪的应用

与整体群体平均值相比，单细胞代谢组学分析揭示了生物学变化的显著差异，推动了生物学和临床治疗策略的创新。近年来，单细胞代谢分析在生物医学领域得到了广泛应用，特别是在癌症研究、生物体发育和神经学领域，揭示了具有深刻生物学和生理意义的细胞内异质性。

结论与展望

近年来，单细胞代谢分析和代谢追踪技术取得了显著进展，为深入探索细胞异质性、代谢动态和病理生理机制提供了前所未有的机会。单细胞分离、质谱和同位素追踪技术的结合不断提高单细胞分析的灵敏度、分辨率和通量，为代谢分析提供了更精确的信息。

作者贡献声明

Xinying Zhu：撰写——原始草稿、可视化、研究设计、概念构思。Jia Yi：撰写——审稿与编辑、监督、资金争取、概念构思。Liang Qiao：撰写——审稿与编辑、监督、资金争取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：22404028和22525401）以及中德科学合作中心（项目编号：M-0614）的支持。