細(xì)胞作為構(gòu)成生命的基本單位具有異質(zhì)性，單細(xì)胞代謝組學(xué)（single-cell metabolomics, SCM）從細(xì)胞層面揭示代謝過程的復(fù)雜性和多樣性，對(duì)于探究疾病發(fā)生、發(fā)展及精準(zhǔn)醫(yī)療等至關(guān)重要。此前SCM面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，包括小分子代謝物穩(wěn)健檢測(cè)困難、樣本通量有限、數(shù)據(jù)重復(fù)性差，限制了其在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

2025年9月5日，歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室Theodore Alexandrov團(tuán)隊(duì)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(jié)合AP-SMALDI5 AF & Q Exactive Plus Orbitrap質(zhì)譜成像技術(shù)、定制載玻片細(xì)胞制備和批量處理技術(shù)，開發(fā)了HT SpaceM——一種高通量、高重現(xiàn)性單細(xì)胞代謝組學(xué)方法，結(jié)合提出的功能全面的數(shù)據(jù)分析框架，為單細(xì)胞小分子代謝物分析提供了革命性工具，同時(shí)拓展了MALDI質(zhì)譜成像技術(shù)在單細(xì)胞代謝組學(xué)高通量應(yīng)用。 

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技術(shù)創(chuàng)新與優(yōu)勢(shì)

超高通量設(shè)計(jì)，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(gè)，配合可拆卸的細(xì)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(jié)合細(xì)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(dá)40個(gè)樣品，每個(gè)樣品可對(duì)超過1000個(gè)細(xì)胞進(jìn)行分析，適用于各種細(xì)胞類型，大幅降低批次效應(yīng)，極大地提高了單細(xì)胞級(jí)別代謝物檢測(cè)的通量。

HT SpaceM 工作流程

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標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)證了一套單細(xì)胞代謝組學(xué)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(fù)性評(píng)估、變異性分析、代謝物結(jié)構(gòu)驗(yàn)證、富集分析與創(chuàng)新的單細(xì)胞共豐度代謝網(wǎng)絡(luò)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(shí)別保守代謝通路、樞紐代謝物以及細(xì)胞異質(zhì)性。

HT SpaceM數(shù)據(jù)分析框架

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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(tái)，HT SpaceM能夠在單細(xì)胞內(nèi)檢測(cè)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(fù)性是新興SCM技術(shù)的核心要求。HT SpaceM在孔間與玻片間可重復(fù)性高，多數(shù)檢測(cè)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(guān)系數(shù)（R）≥0.97，不同載玻片的樣本相關(guān)性（R）仍高達(dá)0.88~0.99，且不受細(xì)胞系的影響，81.48%代謝物的CV值≤20%。HT SpaceM檢測(cè)結(jié)果通過與常規(guī)液質(zhì)聯(lián)用Orbitrap Exploris 240代謝組學(xué)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了工作流程的準(zhǔn)確性。 

HT SpaceM高重現(xiàn)性、低變異性，代謝物檢測(cè)匹配Orbitrap Exploris 240檢測(cè)結(jié)果（點(diǎn)擊查看大圖）

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解鎖多場(chǎng)景應(yīng)用潛力

解析腫瘤細(xì)胞代謝異質(zhì)性

使用HT SpaceM對(duì)9種NCI-60腫瘤細(xì)胞系（涵蓋乳腺癌、結(jié)腸癌、肺癌等）和HeLa細(xì)胞進(jìn)行分析，共檢測(cè)到202種小分子離子。單細(xì)胞譜圖的 UMAP 顯示，細(xì)胞按細(xì)胞系清晰聚類，孔重復(fù)樣本間可重復(fù)性高。進(jìn)一步通過無監(jiān)督聚類和“一對(duì)一”差異分析，揭示細(xì)胞系特異性標(biāo)志代謝物。此外，富集分析可為代謝類別與通路的差異表達(dá)提供深入見解，結(jié)合代謝共豐度網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，有助于揭示關(guān)鍵代謝樞紐或協(xié)同代謝程序。

9種NCI-60和Hela細(xì)胞系單細(xì)胞代謝特征

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藥物干預(yù)下的單細(xì)胞代謝動(dòng)態(tài)

為了進(jìn)一步探究HT SpaceM在藥物研究中的適用性，研究人員對(duì)經(jīng)糖酵解抑制劑2-DG處理12h、24h后的HeLa細(xì)胞分別進(jìn)行譜圖分析。HT SpaceM精準(zhǔn)捕捉到明顯的代謝變化，且變化符合2-DG的預(yù)期效應(yīng)：葡萄糖積累、糖酵解抑制、檸檬酸水平升高等。單細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)分析顯示，多個(gè)通路中代謝協(xié)調(diào)關(guān)系發(fā)生改變，藥物處理后以葡萄糖為中心重構(gòu)代謝網(wǎng)絡(luò)。聚類分析識(shí)別出三個(gè)細(xì)胞亞群，表明細(xì)胞對(duì)處理響應(yīng)存在異質(zhì)性，為藥物響應(yīng)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(xì)胞異質(zhì)性

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單細(xì)胞代謝組學(xué)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(diǎn)，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(xì)胞、免疫細(xì)胞或活檢樣本等，為單細(xì)胞代謝組學(xué)高通量分析提供了全新的技術(shù)平臺(tái)。

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(xì)胞代謝物空間定位外，還可以作為一種進(jìn)樣方式，為單細(xì)胞代謝組學(xué)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?/span>實(shí)現(xiàn)單細(xì)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(cè)，為整個(gè)工作流程提供了核心硬件支撐。文中代謝物結(jié)構(gòu)驗(yàn)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。

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