歐陽證：基于細胞電遷移電穿孔的單細胞質譜分析方法

　　單細胞分析對研究細胞在轉錄組學、蛋白組學以及代謝組學等方面的異質性有著重要的意義。目前，科學家們開發了大量的單細胞分析方法和技術，例如熒光分析法、微流控芯片、流式細胞儀、單細胞測序等。質譜分析，因其低樣品消耗量、高靈敏度、高定量準確性等優勢，已經被廣泛應用于單細胞蛋白組學、脂質組學和代謝組學分析中。然而，目前大部分的單細胞質譜分析方法，都需要依托于高精度操作平臺，這給單細胞分析技術的應用帶來了一定的挑戰。

　　近日，清華大學歐陽證教授研究團隊，報道了一種基于細胞電遷移-電穿孔的單細胞質譜分析方法。該方法無需細胞高精度操控平臺，僅通過對單細胞施加一定序列的電壓，即可實現對單個酵母等具有細胞壁的細胞內代謝物的可控釋放與質譜分析。如圖1所示，在硼玻璃納噴管中加入適當體積(約0.5 μL)的細胞懸浮液(約104細胞/mL)，該溶液內平均只含有單個細胞。由于細胞表面通常帶負電，通過非接觸式電極對溶液施加直流負電壓，使細胞遷移到納噴管尖端，并在針尖處封閉一段超小體積(約1.5 pL)的液體。之后施加高壓脈沖電壓，在細胞膜表面形成電穿孔，細胞內代謝物即釋放到前端的超小體積液體中，從而避免了細胞內代謝物的過度稀釋。最后，采用非接觸式電極加壓，由納升電噴霧離子化將該部分溶液離子化并進行質譜分析。

圖1. 基于細胞電遷移-電穿孔的單細胞質譜分析方法

　　該研究中，首先用酵母細胞進行了方法驗證。如圖2所示，從離子流熱圖中可以看出，施加脈沖電壓后，在質荷比m/z 50到800的范圍內出現了大量的代謝物離子信號。圖2b中比較了施加脈沖電壓前后的單細胞分析質譜圖。通過精確質量對比、串級質譜分析等方法，該課題組在單個酵母細胞內檢測到了71種代謝物。圖2c-e展示了幾種典型代謝物的串級質譜譜圖。

圖2. (a)質譜離子流熱圖。在5 s時刻施加了高壓脈沖電壓。(b)電壓施加前(下)后(上)質譜圖比較。(c-e)典型的串級質譜譜圖。c: GSH，d: ADP，e: UDP-Hex。

　　除了酵母細胞，該方法還可用于其他種類的具有細胞壁結構的單細胞菌類的高靈敏度質譜分析。圖3展示了萊茵衣藻(Chlamydomonas Reinhardtti)、杜氏鹽藻(Dunaliella Salina)、斜生柵藻(Scenedesmus Obliquus)、綠眼蟲(Euglena Viridis)的單細胞分析質譜圖。

圖3. 不同種類細胞的單細胞質譜譜圖。從內向外依次為：萊茵衣藻，杜氏鹽藻，斜生柵藻，綠眼蟲。

　　此外，該課題組還研究了不同培養環境下，單個細胞內代謝物相對含量的變化情況。將兩組萊茵衣藻細胞，分別在有/無光照條件下培養24小時，之后采用本方法進行單細胞內代謝物的質譜分析。單細胞質譜分析表明，在黑暗條件下，衣藻細胞內的卡爾文循環內的碳固定被終止，細胞內有氧呼吸強度下降，糖酵解代謝增強。此時，細胞的光合作用停止，細胞通過糖酵解分解糖類以提供基本的代謝需求，同時降低有氧呼吸強度以維持生存。

圖4. 黑暗條件下的萊茵衣藻單細胞內部分代謝物強度比值變化。

　　本研究的相關結果已發表在Analytical Chemistry，并以ACS Editors' Choice形式亮點報道。該論文得到了國家自然科學基金項目的支持。