單細胞質譜分析的現狀與發展

　　2015年10月17日，第二屆全國質譜分析學術報告會在浙江大學紫荊港校區體育館盛大開幕，在5位院士的精彩報告后，多位學者做了高水平的大會報告。

清華大學張新榮教授：單細胞質譜分析的現狀與發展

　　清華大學張新榮教授做題為《單細胞質譜分析的現狀與發展》的報告。細胞是生命活動的基本單元，在單細胞及亞細胞水平上對生命活動進行實時、原位、動態檢測是生命科學對分析化學提出的一項挑戰性的問題；要求分析化學家在時間、空間、定性、定量四個方面發展更為“精準”的方法；并解決單細胞“組學”分析、亞細胞區域“超分辨”成像、分子動態變化三個方面的難題。熒光探針是目前單細胞分析與成像的主要技術手段，已有多種熒光小分子/納米/蛋白探針；已用于流式細胞檢測、亞細胞區域定位、細胞中蛋白、基因、小分子代謝物的分析以及細胞動態行為研究。但熒光探針缺點是：受到分子光譜譜帶寬度的限制，能夠同時測定的組分數目有限，難以進行細胞中多組分分子的同時分析，也不適于細胞中未知成分的分析。而且，細胞中發生的生物過程常是多種分子系統作用的結果，因此發展單細胞分析方法，滿足多組分同時分析的需求，并對細胞事件中的未知成分進行快速定性和精準定量，是單細胞生物學研究對分析化學的迫切需求。

　　質譜進行單細胞分析的優點為：（1）無需標記；（2）多組分同時分析；（3）精準定量。該領域取得的成果主要集中在以下技術：質譜流式細胞儀；TOF-SIMS分析；ESI-MS/MS分析；MALDI-TOF分析。

　　2011年SCIENCE發表了質譜流式細胞儀技術（Mass Cytometry），隨后出現了一系列文章，主要使用各種金屬元素作為標簽，用ICP-MS對單細胞中的多種參數實現流式檢測。在MDS公司2001年申請、2006年被授權的美國ZL中，專門提到了張新榮課題組2001年發表在AC和JAAS的工作。

　　飛行時間-二次離子質譜（TOF-SIMS）也可用于單細胞分析。SIMS離子束具有易于聚焦的特點，采用離子束照射單細胞樣品，實現待測分子的質譜成像分析，有很高的分辨率，在生命科學研究中很有意義。2011年Nature發表了利用SIMS進行多同位素成像質譜定量干細胞的文章。Lechene等人采用TOF-SIMS，利用¹⁵N標記的胸腺嘧啶培養干細胞，對其中的DNA分子進行了成像分析，說明了不同生長周期小鼠的DNA分子在干細胞和提供給組織的后代細胞中的分配是否符合“不朽鏈”假說。TOF-SIMS的主要不足是在離子化過程中分子被裂解成了碎片，無法得到完整分子的信息。課題組已被AngewChem接收的最新文章中，用TOF-SIMS，成功對單細胞新生蛋白和特異的磷脂進行成像。在儀器裝置搭建方面，南京大學-清華大學正在合作研制極紫外激光TOF-SIMS，有望解決分子碎裂的難題。

　　在單細胞電噴霧質譜分析方面，目前的nano-ESI可進行納升進樣，2014年AC上發表的文章，采用結合膜片鉗的單細胞ESI-MS分析。采用膜片鉗吸管技術能夠在微損傷情況下從細胞吸出微量細胞質物質，再采用納升電噴霧技術，即可獲得細胞內代謝物的成分與含量的信息，Sweedler等用該法研究了單個神經細胞中多種神經遞質的種類與含量，以及其對人的精神的抑制或刺激作用。張新榮課題組研發了皮升噴霧裝置，并分析了植物單個干細胞，相對于納升噴霧，皮升噴霧顯著提高了噴霧時間，從3秒提高到3分鐘，可在分析中獲得更多信息。課題組還發展了步進電壓的納升噴霧技術，可以有效快速地去除小體積樣品中的基質，在質譜圖中可使目標物和基質有效分離，形成不同的譜帶。用皮升噴霧裝置檢測amol級生物分子，并用結晶化來有效脫鹽。在商品化的LESA基礎上，課題組用液滴微萃取和皮升電噴霧技術，有效去除基質干擾，對單細胞進行分析。課題組還對離子阱采用脈沖式采樣，也成功提高靈敏度，對單植物細胞的代謝物進行分析，并用中性丟失檢索判斷糖類的修飾類型。

　　今后，單細胞生物學的發展趨勢是：（1）加強單細胞的“組學”研究；（2）亞細胞區域的高分辨時空成像研究；（3）在時間、空間和量三個方面達到“精準”的程度。