ACS Editors’ Choice：单细胞质谱分析
近日，清华大学欧阳证教授课题组在Analytical Chemistry上发表了Single-Cell Mass Spectrometry Analysis of Metabolites Facilitated by Cell Electro-Migration and Electroporation，且以ACS Editors’ Choice形式亮点报道。
文章介绍了基于细胞电迁移-电穿孔的单细胞质谱分析方法，该方法无需细胞高精度操控平台，仅通过对单细胞施加一定序列的电压，即可实现对单个酵母等具有细胞壁的细胞内代谢物的可控释放与质谱分析。
通讯作者：欧阳证，清华大学
作者：Zishuai Li (李自帅)，Zhengmao Wang (王正茂)，Junmin Pan (潘俊敏)，Xiaoxiao Ma (马潇潇)，Wenpeng Zhang (张文鹏)，Zheng Ouyang (欧阳证)
单细胞分析对研究细胞在转录组学、蛋白组学以及代谢组学等方面的异质性有着重要的意义。目前，科学家们开发了大量的单细胞分析方法和技术，例如荧光分析法、微流控芯片、流式细胞仪、单细胞测序等。质谱分析，因其低样品消耗量、高灵敏度、高定量准确性等优势，已经被广泛应用于单细胞蛋白组学、脂质组学和代谢组学分析中。然而，目前大部分的单细胞质谱分析方法，都需要依托于高精度操作平台，这给单细胞分析技术的应用带来了一定的挑战。
清华大学欧阳证教授课题组报道了一种基于细胞电迁移-电穿孔的单细胞质谱分析方法。该方法无需细胞高精度操控平台，仅通过对单细胞施加一定序列的电压，即可实现对单个酵母等具有细胞壁的细胞内代谢物的可控释放与质谱分析。如图1所示，在硼玻璃纳喷管中加入适当体积(约0.5 μL)的细胞悬浮液(约104细胞/mL)，该溶液内平均只含有单个细胞。由于细胞表面通常带负电，通过非接触式电极对溶液施加直流负电压，使细胞迁移到纳喷管尖端，并在针尖处封闭一段超小体积(约1.5 pL)的液体。之后施加高压脉冲电压，在细胞膜表面形成电穿孔，细胞内代谢物即释放到前端的超小体积液体中，从而避免了细胞内代谢物的过度稀释。最后，采用非接触式电极加压，由纳升电喷雾离子化将该部分溶液离子化并进行质谱分析。
图1. 基于细胞电迁移-电穿孔的单细胞质谱分析方法
该研究中，首先用酵母细胞进行了方法验证。如图2所示，从离子流热图中可以看出，施加脉冲电压后，在质荷比m/z 50到800的范围内出现了大量的代谢物离子信号。图2b-c中比较了施加脉冲电压前后的单细胞分析质谱图。通过精确质量对比、串级质谱分析等方法，该课题组在单个酵母细胞内检测到了71种代谢物。图3a-f展示了几种典型代谢物的串级质谱谱图。
图2. (a)质谱离子流热图。在5 s时刻施加了高压脉冲电压。(b)负离子模式。(c)正离子模式。
图3. 负离子模式下单酵母菌代谢产物典型的串级质谱谱图 (a) Glu, (b) GSH, (c) AMP, (d) ADP, (e)ATP, (f) UDP-Hex.
除了酵母细胞，该方法还可用于其他种类的具有细胞壁结构的单细胞菌类的高灵敏度质谱分析。图4展示了莱茵衣藻(Chlamydomonas Reinhardtti)、杜氏盐藻(Dunaliella Salina)、斜生栅藻(Scenedesmus Obliquus)、绿眼虫(Euglena Viridis)的单细胞分析质谱图。
图4. 不同种类细胞的单细胞质谱谱图。从内向外依次为：莱茵衣藻，杜氏盐藻，斜生栅藻，绿眼虫。
此外，该课题组还研究了不同培养环境下，单个细胞内代谢物相对含量的变化情况。将两组莱茵衣藻细胞，分别在有/无光照条件下培养24小时，之后采用本方法进行单细胞内代谢物的质谱分析。单细胞质谱分析表明，在黑暗条件下，衣藻细胞内的卡尔文循环内的碳固定被终止，细胞内有氧呼吸强度下降，糖酵解代谢增强。此时，细胞的光合作用停止，细胞通过糖酵解分解糖类以提供基本的代谢需求，同时降低有氧呼吸强度以维持生存。
图5. 黑暗条件下的莱茵衣藻单细胞内部分代谢物强度比值变化。
本研究的相关结果已发表在Analytical Chemistry，并以ACS Editors’ Choice形式亮点报道。该论文得到了国家自然科学基金项目的支持。