《Nature Communications》：Single-cell thiol profiling enabled by live-cell labeling reveals metabolic heterogeneity in ferroptosis
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为了解决单细胞层面多种巯基（硫醇）难以高覆盖、高灵敏度全面检测的挑战，研究人员整合了活细胞标记与有机质谱流式技术，开发了一种集成分析新方法。该策略实现了对单个细胞内27种标记巯基与355种其他代谢物的同时定量，并成功应用于铁死亡研究，揭示了RSL3通过NRF2-GSH轴抑制谷胱甘肽合成导致代谢异质性。
在生命的微观舞台上，每一个细胞都是一个独特的个体，它们内部的生化反应如同一个精密的微型工厂。其中，巯基（thiols），尤其是那些含有“-SH”基团的分子，扮演着至关重要的角色。它们是酶的催化中心，维持着细胞内的氧化还原（redox）平衡，还参与着能量代谢。然而，想要看清单细胞水平上这些功能各异的“硫醇工人”的详细“工位”和“工作状态”，科学家们却遇到了不小的麻烦。一方面，它们的含量极低，属于“痕量”级别；另一方面，它们性格“活泼”，非常容易被氧化，在样本处理过程中就可能“变了样”。传统的方法往往难以在单个细胞中同时、准确地对多种巯基进行“人口普查”，这就像在观察一个繁忙的细胞车间时，只看到了几个模糊的身影，而无法识别每一位工人的工种和效率。这种技术上的局限，限制了我们深入理解许多生理和病理过程，比如近年来备受关注的一种铁依赖性的新型细胞死亡方式——铁死亡（ferroptosis），其核心特征就与谷胱甘肽（Glutathione, GSH）等关键巯基代谢物的耗竭密切相关。为了突破这一瓶颈，一项最新的研究带来了创新的解决方案。
为了回答单细胞巯基分析难题，研究人员采用了一种整合策略，将活细胞标记与有机质谱流式（organic mass cytometry） 技术相结合。该方法通过在细胞存活状态下进行标记，实现了对细胞内源巯基更全面、更灵敏的检测。随后，利用有机质谱流式技术，能够对单个细胞中多达27种被标记的巯基和355种其他代谢物进行同时定量分析。
研究结果
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评估代谢波动验证策略可行性：通过对细胞在刺激下代谢波动的评估，证明了该集成方法的实用性和准确性。该方法具备监测通路活性、绘制代谢网络图和非靶向代谢组学（untargeted metabolome）分析的能力。
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揭示RSL3引发铁死亡的代谢异质性：将该技术应用于研究RSL3（一种铁死亡诱导剂）触发的铁死亡过程。研究发现，RSL3通过抑制核因子E2相关因子2-谷胱甘肽轴（nuclear factor E2-related factor 2- glutathione axis, NRF2-GSH轴）来抑制谷胱甘肽的合成。这导致了不同细胞亚型之间谷胱甘肽代谢存在异质性。
结论与讨论
这项研究成功开发并验证了一种用于单细胞水平巯基分析的综合方法，有效克服了传统手段在覆盖度和灵敏度上的不足。该方法不仅能够精确量化单个细胞中种类丰富的巯基和其他代谢物，还能动态追踪细胞在受到刺激时整个代谢网络的变化，为在单细胞分辨率下研究代谢通路活性和绘制复杂代谢图谱提供了强大工具。尤为重要的是，应用该方法对铁死亡过程的研究揭示了此前未被充分认知的代谢异质性。具体而言，研究发现铁死亡诱导剂RSL3并非均一地影响所有细胞，而是通过干扰NRF2（一种调控抗氧化反应的关键转录因子）与谷胱甘肽合成之间的协调关系，从而抑制了谷胱甘肽的生成，并且这种抑制作用在不同的细胞亚型中存在差异。这一发现深化了我们对铁死亡执行机制的理解，特别是其中代谢调控网络的复杂性，提示细胞群体在面对死亡压力时可能存在基于代谢状态的差异化响应策略。这项发表于《自然·通讯》（Nature Communications）的研究，其重要意义在于将单细胞代谢组学分析提升到了一个新的维度，为在单细胞层面系统探究巯基代谢在生理功能、疾病机制（如神经退行性疾病、癌症治疗抵抗等与铁死亡相关的病理过程）以及药物作用中的角色开辟了新的途径。未来，这一技术平台有望广泛应用于生物医学研究的各个领域，助力发现新的生物标志物和药物靶点。
