我所研发复合电离源实现高覆盖、高灵敏单细胞的代谢组分析

近日，我所生物技术研究部生物分子高分辨分离分析及代谢组学研究组（1808组）许国旺研究员、胡春秀副研究员和石先哲副研究员等在单细胞代谢组分析新技术研究中取得新进展，研发了同轴纳升电喷雾电离-大气压化学电离复合电离源（concentric nanoESI-APCI hybrid source），提高了细胞中低丰度、低电离效率和弱极性代谢物的检测能力，实现了单细胞代谢组的高覆盖、高灵敏分析。

细胞存在异质性，传统的群体细胞研究会掩盖个体的差异，开展单细胞研究对真实反映各个细胞在生理病理过程中发挥的作用意义重大。单细胞中代谢物组分复杂、含量较低且缺乏放大技术，单一的电离技术很难实现代谢组的高覆盖，亟待发展高覆盖、高灵敏的新技术。

本工作中，研究团队将nanoESI和APCI的电离机理整合，设计了同轴nanoESI-APCI复合电离源，相较于nanoESI单一模式，其信噪比提升了约5倍，最低检测限提升了1个数量级，实现了单细胞中极性和非极性代谢物的同时电离，可从单个哺乳动物细胞中鉴定出254种代谢物，比nanoESI单一模式多82种。复合电离源示范性地应用于营养限制诱导的细胞代谢紊乱研究，揭示了肿瘤细胞在应对营养压力时的复杂代谢调控。团队利用该复合电离源结合激光捕获显微切割，发现了代谢物在肿瘤微环境中的空间分布，证明该方法可用于单细胞水平的空间分辨肿瘤代谢异质性研究；将该复合电离源进一步应用于前列腺癌肿瘤干细胞的代谢特征研究，在单细胞水平观察到前列腺癌中激活的TCA循环。此外，该复合电离源也适合于其他稀有细胞的代谢组学研究，为深入了解单个细胞对生理病理的作用提供了新的研究工具。

近年来，1808组在单细胞、亚细胞代谢组学方面发展了系列方法：建立了基于毛细管微探针取样-nanoESI直接进样的技术，在3分钟内可实现对20个细胞的500多种脂质的高灵敏分析（Anal. Chem.，2021）；开发的基于微流控芯片的流式质谱技术，实现了高通量单细胞代谢组学分析，通量可达80个细胞/分钟，单次实验可连续分析3000个以上的单细胞（Anal. Chim. Acta.，2022）；研制的核酸适配体功能化纳米复合材料，实现了复杂生物样本中少量外泌体的高效分离纯化及高覆盖代谢组学分析（Anal. Chem.，2020）；研制的抗体修饰的磁性亲和材料，实现了线粒体的简便高效纯化及后续的代谢组分析（Anal. Chem.，2021）。

相关研究成果以“Concentric Hybrid Nanoelectrospray Ionization-Atmospheric Pressure Chemical Ionization Source for High-Coverage Mass Spectrometry Analysis of Single-Cell Metabolomics”为题，发表在《先进科学》（Advanced Science）上。该工作的第一作者是1808组博士研究生徐天润和博士后李杭。以上工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、大连医科大学附属第一医院-中国科学院大连化学物理研究所医工联合基金、大连医科大学附属第二医院-中国科学院大连化学物理研究所医工联合基金、我所创新基金等项目的资助。（文/图 徐天润）

文章链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38359005/