编辑推荐：
为解决传统代谢组学仅能提供静态浓度信息、难以揭示代谢活动动态及细胞互作机制的问题，研究人员开发动态单细胞代谢组学系统，结合稳定同位素示踪与神经网络模型，分析肿瘤细胞与巨噬细胞互作，首次基于代谢特征鉴定肿瘤相关巨噬细胞（TAM）极化亚型，为解析细胞异质性和微环境互作提供新工具。
在生命科学研究领域，细胞代谢的动态调控与细胞间互作机制一直是备受关注的前沿方向。传统代谢组学技术主要通过测量代谢物浓度提供 “静态快照”，但无法揭示代谢通路的活性动态及细胞间复杂的相互作用，例如肿瘤微环境（TME）中肿瘤细胞与免疫细胞的代谢互作如何驱动肿瘤进展。肿瘤相关巨噬细胞（TAM）作为肿瘤微环境的关键组分，其极化状态与代谢特征的关系尚不明确，缺乏单细胞水平的动态分析工具成为解析这些问题的瓶颈。
为突破这一局限，北京大学化学与分子工程学院的研究团队开展了深入研究。他们开发了一种基于稳定同位素示踪的动态单细胞代谢组学系统，结合高通量单细胞数据采集平台与无靶向同位素示踪数据处理平台，实现了单细胞水平代谢活动的实时追踪与网络分析。该研究成果发表在《Nature Communications》，为理解细胞代谢异质性和细胞间互作提供了全新视角。
研究中采用的核心技术包括：
- 有机质谱流式细胞术（Organic Mass Cytometry）：实现单细胞代谢物的高通量、无标记检测，可直接分析共培养细胞的代谢特征。
- 稳定同位素示踪技术：利用 [U-13C] 葡萄糖、[U-13C] 谷氨酰胺等示踪剂，追踪单细胞内代谢通路的活性动态及代谢流方向。
- 神经网络模型：构建细胞类型分类模型，实现直接共培养体系中肿瘤细胞与巨噬细胞的实时鉴别，避免传统荧光激活细胞分选（FACS）对细胞代谢的干扰。
研究结果
1. 动态单细胞代谢组学系统的构建与验证
研究团队通过耦合 CyESI 质谱与 Dean 流单细胞分散技术，构建了高通量单细胞数据采集平台，可区分正常上皮细胞（MCF10A）与乳腺癌细胞（MCF-7、MDA-MB-231），并检测到单细胞内源性代谢物的高异质性（相对标准偏差 RSD 较高）。结合无靶向同位素示踪分析流程，利用 Python 程序实现单细胞脉冲峰提取、代谢物注释及标记程度（LE）量化，成功在 MDA-MB-231 细胞中追踪到 40 种标记代谢物，覆盖糖酵解、三羧酸循环（TCA）、谷氨酰胺代谢等通路。
2. 单细胞水平的代谢活性异质性与通路互作分析
通过 [U-13C] 葡萄糖示踪，发现 MDA-MB-231 细胞群中存在代谢活性异质性，经 UMAP 和 DBSCAN 聚类分为 6 个亚群（A-F），其标记程度（LE）随示踪时间呈现非同步演化，揭示单细胞代谢动态的多样性。代谢流分析显示，糖酵解中间体 UDP - 葡萄糖 / UDP - 半乳糖快速标记（M6 形式 5 分钟内出现），而三羧酸循环代谢物（如琥珀酸、苹果酸）呈现多轮循环标记模式（M2、M3、M4 形式依次出现），证实了代谢通路的复杂互联。此外，利用 [U-13C] 乳酸示踪，观察到糖异生通路的活性，表明肿瘤细胞可利用乳酸作为替代碳源。
3. 2 - 脱氧葡萄糖（2-DG）抑制模型揭示代谢活性分析的必要性
在 2-DG 抑制糖酵解的实验中，传统浓度分析显示 UDP - 葡萄糖等代谢物丰度无显著变化，而动态代谢组学发现其标记程度（LE）显著下降，表明代谢活性的快速响应早于浓度变化。层次聚类分析显示，2-DG 处理不仅抑制糖酵解，还诱导 TCA 循环和氨基酸代谢的代偿性激活，证实代谢活性分析对揭示药物作用机制的重要性。
4. 肿瘤细胞与巨噬细胞的直接共培养互作机制
利用神经网络模型对直接共培养的 MDA-MB-231 细胞与 THP-1 来源巨噬细胞进行分类，发现共培养后肿瘤细胞的糖酵解和戊糖磷酸途径活性增强，而谷氨酰胺代谢减弱；巨噬细胞则表现出 TCA 循环和氧化磷酸化活性升高，呈现 M2 样极化特征。单细胞聚类进一步鉴定出 4 种 TAM 代谢亚型，其中簇 1/2 富集线粒体代谢和脂多糖代谢，簇 3/4 侧重己糖胺生物合成和半乳糖代谢，与单细胞 RNA 测序（scRNA-Seq）数据中的 RTM_int、Mac_Hypo 等亚群代谢特征高度吻合，首次基于代谢特征揭示 TAM 的多元极化表型。
研究结论与意义
该研究建立的动态单细胞代谢组学系统，首次在单细胞水平整合静态代谢物浓度与动态代谢活性分析，突破了传统技术对细胞异质性和微环境互作解析的局限。通过肿瘤 - 巨噬细胞互作模型，发现 TAM 的代谢多样性远超经典 M1/M2 极化范式，为肿瘤免疫治疗提供了潜在代谢靶点。此外，该技术在药物敏感性评估（如 2-DG 的早期代谢响应）和单细胞功能分类中的应用，展现了其在精准医学和细胞治疗领域的广阔前景。未来，结合空间代谢组学与多组学技术，有望进一步揭示复杂生理病理过程中的细胞互作网络，推动生命科学与医学研究的革新。
