我所研發復合電離源實現高覆蓋、高靈敏單細胞的代謝組分析

近日，我所生物技術研究部生物分子高分辨分離分析及代謝組學研究組（1808組）許國旺研究員、胡春秀副研究員和石先哲副研究員等在單細胞代謝組分析新技術研究中取得新進展，研發了同軸納升電噴霧電離-大氣壓化學電離復合電離源（concentric nanoESI-APCI hybrid source），提高了細胞中低豐度、低電離效率和弱極性代謝物的檢測能力，實現了單細胞代謝組的高覆蓋、高靈敏分析。

細胞存在異質性，傳統的群體細胞研究會掩蓋個體的差異，開展單細胞研究對真實反映各個細胞在生理病理過程中發揮的作用意義重大。單細胞中代謝物組分復雜、含量較低且缺乏放大技術，單一的電離技術很難實現代謝組的高覆蓋，亟待發展高覆蓋、高靈敏的新技術。

本工作中，研究團隊將nanoESI和APCI的電離機理整合，設計了同軸nanoESI-APCI復合電離源，相較于nanoESI單一模式，其信噪比提升了約5倍，最低檢測限提升了1個數量級，實現了單細胞中極性和非極性代謝物的同時電離，可從單個哺乳動物細胞中鑒定出254種代謝物，比nanoESI單一模式多82種。復合電離源示范性地應用于營養限制誘導的細胞代謝紊亂研究，揭示了腫瘤細胞在應對營養壓力時的復雜代謝調控。團隊利用該復合電離源結合激光捕獲顯微切割，發現了代謝物在腫瘤微環境中的空間分布，證明該方法可用于單細胞水平的空間分辨腫瘤代謝異質性研究；將該復合電離源進一步應用于前列腺癌腫瘤干細胞的代謝特征研究，在單細胞水平觀察到前列腺癌中激活的TCA循環。此外，該復合電離源也適合于其他稀有細胞的代謝組學研究，為深入了解單個細胞對生理病理的作用提供了新的研究工具。

近年來，1808組在單細胞、亞細胞代謝組學方面發展了系列方法：建立了基于毛細管微探針取樣-nanoESI直接進樣的技術，在3分鐘內可實現對20個細胞的500多種脂質的高靈敏分析（Anal. Chem.，2021）；開發的基于微流控芯片的流式質譜技術，實現了高通量單細胞代謝組學分析，通量可達80個細胞/分鐘，單次實驗可連續分析3000個以上的單細胞（Anal. Chim. Acta.，2022）；研制的核酸適配體功能化納米復合材料，實現了復雜生物樣本中少量外泌體的高效分離純化及高覆蓋代謝組學分析（Anal. Chem.，2020）；研制的抗體修飾的磁性親和材料，實現了線粒體的簡便高效純化及后續的代謝組分析（Anal. Chem.，2021）。

相關研究成果以“Concentric Hybrid Nanoelectrospray Ionization-Atmospheric Pressure Chemical Ionization Source for High-Coverage Mass Spectrometry Analysis of Single-Cell Metabolomics”為題，發表在《先進科學》（Advanced Science）上。該工作的第一作者是1808組博士研究生徐天潤和博士后李杭。以上工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、大連醫科大學附屬第一醫院-中國科學院大連化學物理研究所醫工聯合基金、大連醫科大學附屬第二醫院-中國科學院大連化學物理研究所醫工聯合基金、我所創新基金等項目的資助。（文/圖 徐天潤）

文章鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38359005/