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中国科学家开发离子淌度质谱流式技术 实现深度覆盖的单细胞代谢组学分析
2026年02月20日 11:35:55
来源：化工仪器网 作者：宋池 点击量：5575
中国科学院上海有机化学研究所朱正江团队发展了一种离子淌度质谱流式技术，结合离子淌度选择性富集与细胞信号叠加策略，显著提升了单细胞代谢组学的检测灵敏度与覆盖度。
单细胞代谢组学技术为揭示细胞层面的代谢多样性与异质性提供了关键手段。然而，受限于单细胞内代谢物丰度极低，现有方法在检测灵敏度、代谢物覆盖度以及注释准确性等方面面临显著挑战。近日，中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心朱正江研究员团队在这一领域取得重要进展，系统构建了一套基于离子淌度质谱流式的单细胞代谢组学分析平台，相关研究成果于2025年发表在期刊《Nature Methods》上。
研究团队首先搭建了一套基于离子淌度质谱的流式分析装置。该系统采用气压驱动的流式细胞术，能够将单个活细胞连续注入离子淌度质谱系统，实现了每分钟约25至40个细胞的稳定分析通量，并可维持数小时的持续稳定进样。该装置的核心在于整合了离子淌度分离与高分辨质谱检测，能够同步记录单细胞内代谢物的质荷比、碰撞截面积以及信号强度。碰撞截面积作为与分子结构相关的物理参数，为代谢物鉴定提供了额外的维度信息。同时，系统支持在相同实验条件下进行二级质谱采集，从而在单细胞原位状态下获取代谢物的碎片信息，实现对代谢物离子的多维度系统性表征。
为了提升对小分子代谢物的检测灵敏度，研究团队发展了离子淌度选择性富集策略。通过优化离子淌度条件下离子的累积与释放电压等关键参数，该策略使常见小分子代谢物的检测灵敏度提升了约20倍。其原理在于，在离子淌度分离过程中，特定代谢物离子被选择性地在离子漏斗中进行累积，随后再释放进入质量分析器，从而增加了单位时间内进入检测器的目标离子数量，增强了信号强度。
针对单细胞代谢组学中普遍存在的信号信噪比低、检测稳健性不足以及缺失值比例高等技术瓶颈，研究团队进一步提出了细胞信号叠加策略。该策略首先对数百个细胞中同一代谢物对应的离子信号进行叠加，通过累积多个细胞的信号来增强代谢物离子的信噪比与整体检测灵敏度，在此基础上再对单个细胞的代谢物信号进行靶向提取，从而在保持单细胞分辨率的同时，实现代谢物离子的准确检测与可靠识别。实验数据显示，通过该策略，峰检测信噪比的中位数提高了约33倍，平均数据缺失比例由82%显著降低至6%。综合离子淌度选择性富集与细胞信号叠加两种增敏策略，该平台实现了阿摩尔级的检测灵敏度，能够对单个细胞内代谢物的动态范围进行准确表征。
结合离子淌度质谱流式单细胞代谢组分析的技术优势，研究团队还开发了面向该技术的自动化数据处理算法和软件MetCell。该软件针对离子淌度质谱流式数据的特点设计，能够处理连续采集产生的大规模数据集。在对HepG2细胞进行120分钟连续采集的数据中，MetCell共识别出3094个单细胞事件，检测到5718个代谢物离子峰，并通过多维匹配成功注释770个代谢物。在多种常见细胞系中，MetCell可检测5074至6975个代谢物峰，并注释533至622个代谢物，相比现有报道技术，覆盖度提升了3至10倍。尤为重要的是，MetCell在多种细胞系中共鉴定并利用化学标准品验证了389个Level-1代谢物，Level-1代谢物指通过比对真实标准品的保留时间、质谱碎片等信息进行确认的代谢物，代表了代谢物鉴定的最高置信度。
研究人员表示，该研究系统构建的离子淌度质谱流式单细胞代谢组学分析平台，结合自主开发的MetCell软件，实现了高通量、深覆盖、超灵敏且代谢物准确注释的单细胞代谢组学分析。这一平台的建立为深入理解生命过程中的代谢多样性提供了新的工具。
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