在過去十年中，單細胞基因、轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)組學(xué)改變了科學(xué)家理解細胞異質(zhì)性的方式。而細胞命運、疾病進展以及微環(huán)境適應(yīng)能力，往往直接體現(xiàn)在代謝物(含脂質(zhì)，下同)的動態(tài)變化之中。代謝物不僅是生物化學(xué)反應(yīng)的終端產(chǎn)物，更是生化調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點。然而，小分子在單細胞尺度上的檢測面臨豐度低、易擴散、動態(tài)范圍廣、結(jié)構(gòu)多樣性高等更嚴峻的挑戰(zhàn)。在單細胞尺度上捕獲這些小分子信息一直被認為是單細胞技術(shù)面臨的“最后一公里” 。
Thermo Scientific™ Orbitrap™ 超高分辨質(zhì)譜平臺憑借 “超高分辨率、超高質(zhì)量精度和靈敏度，靈活的正負極性切換掃描能力” ，結(jié)合多種進樣與采集策略，正在推動單細胞代謝與脂質(zhì)組學(xué)從概念驗證走向?qū)嵺`應(yīng)用。從直接進樣實現(xiàn)極簡路徑的小分子檢測，到 納升液相實現(xiàn)脂質(zhì)深度覆蓋，單細胞代謝組學(xué)(Single-cell metabolomics, SCM)正在形成更加完整的技術(shù)版圖。
01 單細胞采樣+nanoESI-MS實現(xiàn)單細胞代謝組學(xué)分析
單細胞代謝組學(xué)的主流手段之一是通過對單細胞分選或采樣后，直接引入質(zhì)譜檢測，通常使用納升甚至皮升級電噴霧以提高單細胞檢測的靈敏度。近年來，清華大學(xué)張新榮研究團隊在Orbitrap 質(zhì)譜平臺開發(fā)出了多種單細胞代謝組學(xué)分析裝置，包括通過可直接插入活細胞捕獲代謝物的探針電噴霧電離技術(shù)(Probe-ESI-MS)[1]、 可以延時噴霧以采集二級質(zhì)譜的pulsed-dc-ESI-MS技術(shù)[2]、液滴萃取和皮升電噴霧技術(shù)[3]、微孔納升液滴微萃取技術(shù)[4]等，使得超過600種代謝物和300種磷脂分子得以在單細胞水平鑒定(圖1)。為了應(yīng)對單細胞分析中基質(zhì)效應(yīng)嚴重和皮升電噴霧穩(wěn)定性的問題，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)黃光明研究團隊使用誘導(dǎo)電噴霧電離質(zhì)譜(Induced ESI, InESI)技術(shù)與膜片鉗相結(jié)合，在單個神經(jīng)元細胞中鑒定出新型神經(jīng)遞質(zhì)尿嘧啶酸，揭示了其在運動學(xué)習(xí)相關(guān)神經(jīng)環(huán)路中的重要作用 [5]。
圖1. nanoESI單細胞代謝組學(xué)技術(shù)手段
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目前，基于單細胞原位顯微采樣，皮升電噴霧的單細胞代謝組學(xué)方案在Orbitrap Exploris™ 240 平臺得以實現(xiàn)[6](圖2)。通過和華儀寧創(chuàng)智能科技有限公司SinCell-100全自動單細胞代謝物分析儀的強強聯(lián)合，我們對人胃腺癌細胞(AGS)、未分化胃癌細胞(HGC)、人胃黏膜上皮細胞(GSE)進行了單細胞水平的非靶向代謝組學(xué)分析，鑒定出近300種內(nèi)源性代謝物，其中94種和85種代謝物在AGS和GSE組，HGC和GSE組顯著變化(圖3)。值得注意的是，單細胞分析具有 “不可重復(fù)進樣” 的特性，一個細胞只能檢測一次，無法兩次分析獲得正負離子數(shù)據(jù)。而Orbitrap Exploris™ 240采用先進的極性切換模式，一次分析即可同時獲得正離子和負離子模式下的代謝物，結(jié)合數(shù)據(jù)非依賴掃描(DIA)得到代謝物的二級質(zhì)譜鑒定結(jié)果，從而實現(xiàn)單細胞代謝組的深度覆蓋和準(zhǔn)確鑒定。
圖2. SinCell-100-Orbitrap Exploris 240單細胞代謝組學(xué)檢測平臺和工作流
圖3. 胃癌細胞差異分析。A：人胃腺癌細胞(AGS) vs 人胃黏膜上皮細胞(GSE)；B：未分化胃癌細胞(HGC) vs人胃黏膜上皮細胞(GSE)
02 單細胞采樣-納升LC-MS實現(xiàn)高覆蓋單細胞脂質(zhì)組學(xué)分析
直接進樣的單細胞分析方法常常受到代謝物和脂質(zhì)共流出導(dǎo)致的離子抑制、異構(gòu)體難分離以及重現(xiàn)性不足等問題的限制。色譜分離是提升數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵，但由于單細胞樣本中代謝物含量極低，常規(guī)流速 LC-MS 往往難以獲得理想的檢測深度。納升液相技術(shù)通過大幅降低流速，顯著提升 ESI 離子化效率，相比常規(guī)流速可提升約 10–100 倍的檢測靈敏度，目前已成功應(yīng)用于單細胞脂質(zhì)組學(xué)分析中。Thermo Scientific™ Vanquish Neo™ UHPLC 搭配 EASY-Spray™ PepMap™(75 μm × 15 cm)集成式納升色譜柱與 nanoESI 源，顯著提升單細胞脂質(zhì)分析的靈敏度與穩(wěn)健性(圖4)。在該平臺下，單細胞樣本中超過500+ 脂質(zhì)分子在MS/MS水平得以準(zhǔn)確鑒定[7,8](圖5)。(相關(guān)信息請參閱：Orbitrap Exploris 240“力挑”單細胞脂質(zhì)分析難題——揭秘輻射對癌細胞的隱藏影響)
圖4. 單細胞脂質(zhì)組學(xué)解決方案
圖5. 單細胞脂質(zhì)組學(xué)正負切換性能和PANC-1 Cell鑒定深度(點擊查看大圖)
03 流式質(zhì)譜助力單細胞代謝組學(xué)邁入高通量時代
將流式細胞技術(shù)與質(zhì)譜相結(jié)合，可以實現(xiàn)在線單細胞分選分析。2019年，清華大學(xué)張新榮研究團隊提出了免標(biāo)記的CyESI-MS技術(shù)[9]：使用鞘流液在線萃取位于毛細管內(nèi)的細胞懸液，直接進入Orbitrap MS實現(xiàn)非標(biāo)記單細胞代謝組學(xué)分析。通過細胞濃度控制、流式分選和“脈沖信號”識別處理單細胞事件，配合Q-Exactive Orbitrap 質(zhì)譜最高實現(xiàn)38 cells/min的高通量檢測，鑒定深度可達200~300個代謝物(正負模式)。2026年，來自中國計量科學(xué)院和中國計量大學(xué)的研究團隊開發(fā)了一種高通量無標(biāo)記活細胞質(zhì)譜方法(high-throughput and label-free viability informed single-cell mass spectrometry , ViSCMS),可以同時測定細胞代謝譜和存活狀態(tài)，并成功應(yīng)用于結(jié)直腸癌亞型分類[10] (圖6)。北京大學(xué)白玉教授研究團隊實現(xiàn)了單細胞層面的含時動態(tài)代謝流分析技術(shù)(圖7)。他們以MDA-MB-231細胞為模型，分別用[U-¹³C]-葡萄糖和[U-¹³C]-谷氨酰胺標(biāo)記培養(yǎng)，最終發(fā)現(xiàn)包括天冬氨酸代謝、Krebs循環(huán)、嘌呤代謝等多條代謝通路被標(biāo)記；并利用該技術(shù)發(fā)現(xiàn)腫瘤相關(guān)巨噬細胞在氧化磷酸化、Krebs循環(huán)等通路活性發(fā)生顯著升高 [11]。
圖6. 基于流式細胞質(zhì)譜的單細胞分析平臺
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圖7. 動態(tài)單細胞分析平臺
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04 質(zhì)譜成像，從空間到單細胞代謝組學(xué)
在組織層面上進行單細胞研究更有助于了解細胞在微環(huán)境中的異質(zhì)性。上述單細胞分析方法無法同時獲得細胞的空間信息，單細胞尺度的質(zhì)譜成像(Mass Imaging, MSI)技術(shù)是解決上述問題的最佳利器之一。2025年歐洲分子生物學(xué)實驗室Theodore Alexandrov團隊在Cell雜志上開發(fā)了開發(fā)了HT SpaceM技術(shù)，結(jié)合AP-SMALDI5 AF & Q-Exactive Plus Orbitrap質(zhì)譜成像技術(shù)，為單細胞小分子代謝物分析提供了革命性工具(圖8)。該技術(shù)不僅克服了傳統(tǒng)MSI中只能看清磷脂分子的局限性，實現(xiàn)了穩(wěn)定檢測氨基酸、核苷酸、有機酸等代謝物；還開發(fā)了將MSI和顯微成像幾何配準(zhǔn)，通過反卷積算法將像素點還原為單細胞信息 [12]。(詳細信息請參閱：AP-SMALDI Orbitrap質(zhì)譜成像系統(tǒng)助力打造革命性單細胞代謝組學(xué)平臺)
圖8. 質(zhì)譜成像單細胞代謝組學(xué)HT SpaceM 技術(shù)
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結(jié)語
單細胞代謝組學(xué)的發(fā)展，正在從“測得更多”邁向“理解更深”。當(dāng)代謝與脂質(zhì)層面的信息被納入單細胞解析框架，我們開始架起連接基因調(diào)控、蛋白表達與細胞功能表型之間的重要橋梁；我們開始能夠回答更多關(guān)于細胞異質(zhì)性、代謝重編程與功能狀態(tài)轉(zhuǎn)換的問題…
賽默飛在單細胞代謝組學(xué)方案展現(xiàn)了不同技術(shù)體系之間的協(xié)同性，Vanquish Neo nanoUHPLC 提供的脂質(zhì)深度覆蓋；高分辨、高質(zhì)量精度、快速正負離子極性切換 Orbitrap 平臺帶來的數(shù)據(jù)完整性、鑒定準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性保障，共同構(gòu)成了單細胞代謝和脂質(zhì)組學(xué)各種創(chuàng)新平臺的“新基建”。在單細胞時代的下一個十年，我們期待與更多科研同行一起，在單細胞分子層面拓寬新的研究邊界。
1. Xiaoyun Gong, Yaoyao Zhao, Shaoqing Cai,et al. Single Cell Analysis with Probe ESI-Mass Spectrometry: Detection of Metabolites at Cellular and Subcellular Levels. Anal. Chem. 2014, 86, 3809−3816.
2. Zhenwei Wei, Xingchuang Xiong, Chengan Guo, et al. Pulsed Direct Current Electrospray: Enabling Systematic Analysis of Small Volume Sample by Boosting Sample Economy. Anal. Chem. 2015, 87, 11242−11248.
3. Xiao-Chao Zhang, Qingce Zang, Hansen Zhao, et al. Combination of Droplet Extraction and Pico-ESI-MS Allows the Identification of Metabolites from Single Cancer Cells. Anal. Chem. 2018, 90, 9897−9903
4. Jiaxin Feng, Xiaochao Zhang, Liang Huang, et al. Quantitation of Glucose-phosphate in Single Cells by Microwell-
Based Nanoliter Droplet Microextraction and Mass Spectrometry. Anal. Chem. 2019, 91, 5613−5620.
5. Hongying Zhu, Ning Wang, Lei Yao, et al. Moderate UV Exposure Enhances Learning and Memory by Promoting a Novel Glutamate Biosynthetic Pathway in the Brain. Cell 173, 1716–1727.
6. 胡慶宇, 伍劍鴻, 李暢孝等, SinCell-100聯(lián)合Orbitrap Exploris 240 質(zhì)譜儀實現(xiàn)單細胞代謝組學(xué)分析.AN_26001_LSMS, Thermo Fisher Scientific, Inc.
7. Rahul Deshpande, Johanna Gerichten, Kyle Saunders, et al. Deciphering spatial variation in lipid profiles of X-Ray irradiated cells using nanoflow LC coupled to an Orbitrap Exploris 240 MS. PO004336.Thermo Fisher Scientific, Inc.
8. Kyle D. G. Saunders, Johanna von Gerichten, Rahul Deshpande et al. Single-Cell Lipidomics by LC-MS Interlaboratory Study Reveals the Impact of X-ray Irradiation on a Pancreatic Cancer Cell Line and Its Bystanders. Anal. Chem. 2025, 97, 13532−13541.
9. Huan Yao, Hansen Zhao, Xu Zhao, et al. Label-free Mass Cytometry for Unveiling Cellular Metabolic
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10. Simin Cheng, Danni Wu, Xinxin Wang, et al. Viability-Informed Single-Cell Mass Spectrometry for More
Comprehensive Metabolic Analysis. Anal. Chem. 2026, 98, 4213−4221.
11. Jeany Delafiori, Mohammed Shahraz, Andreas Eisenbarth HT SpaceM: A high-throughput and reproducible method for small-molecule single-cell metabolomics. Cell 2025, 188, 6028–6043
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