单细胞质谱技术揭示由接触依赖性细胞间相互作用介导的代谢差异

《Talanta》：Single-Cell Mass Spectrometry Reveals Metabolic Divergence Mediated by Contact-Dependent Cell–Cell Interactions

　　

乐彤|夏丹丹|江德鹏|江德辰

中国江苏省南京市210093，南京大学化学与生物医学创新中心化学学院，生命科学分析化学国家重点实验室

摘要

依赖膜接触的细胞间相互作用在肿瘤进展中起着关键作用。然而，由于缺乏单细胞分辨率的原位分析方法，阐明其背后的分子机制仍然具有挑战性。在此，我们利用基于纳米毛细管的电喷雾电离质谱技术，对线性膜连接的三个细胞系统（A–B–C）进行了单细胞代谢分析。分子谱分析显示，当细胞C被诱导发生凋亡时，它与直接通过膜接触的细胞B之间的相互作用会导致细胞B与远端细胞A之间的代谢差异。这种重编程表现为戊糖磷酸途径和瓦尔堡效应的激活，同时柠檬酸循环及相关氨基酸代谢则受到抑制。这反映了细胞B为促进存活和增强抗凋亡能力而产生的适应性反应。进一步分析表明，这些代谢变化与活性氧有关，而清除活性氧可显著减少细胞A和B之间的代谢差异。此外，细胞A和B的代谢变化程度之间存在正相关关系，这说明两者之间存在逐步的相互作用，从而形成了扩大单细胞异质性的代谢梯度。总体而言，我们的研究建立了一个无需破坏物理连接即可用于研究依赖膜接触的细胞间相互作用的原位单细胞分析平台，并为代谢适应性提供了新的见解。

章节摘录

引言

细胞间通讯在肿瘤的发生和发展中起着至关重要的作用，其动态调节会影响肿瘤的转移、治疗耐药性以及癌细胞在肿瘤微环境中的异质性演变[1]、[2]、[3]、[4]。通过小分子抑制剂或免疫疗法等手段针对癌细胞间的通讯途径，可以降低肿瘤的耐药性和转移潜力[5]、[6]。经典的细胞间通讯主要有三种类型

化学试剂与细胞培养

硼硅玻璃管（BF100-58-10）购自美国加州的Sutter Instrument公司。DMEM（杜尔贝克改良伊格尔培养基）完全培养基和多柔比星（DOX）购自中国南京的KeyGen Biotech公司。N-乙酰半胱氨酸（NAC）购自中国上海的上海北博生物科技有限公司。Annexin V-mCherry和Calcein Violet-AM分别购自中国上海的碧云天生物技术公司和美国加州的BioLegend公司。生理盐水

邻近细胞的分子谱分析

选取了三个直接通过膜接触的连续MCF-7细胞来构建“A-B-C细胞模型”。首先，向细胞C中注入多柔比星和荧光素以启动凋亡过程。由于注射过程中多柔比星的荧光强度不够，因此同时注入荧光素以便更好地观察注射过程。如图2a所示，注射后细胞C显示出强烈的荧光，而细胞A则没有检测到荧光

结论

本研究利用基于纳米毛细管的ESI-MS技术，从单细胞代谢组学的角度研究了细胞间的相互作用。基于A-B-C膜接触模型，代谢分析表明，处于凋亡状态的细胞C通过与直接相邻的细胞B的膜接触，导致了细胞A和B之间的代谢差异。这种依赖接触的相互作用会引发细胞B的代谢重编程，表现为戊糖磷酸途径等的激活

CRediT作者贡献声明

乐彤：论文撰写——初稿撰写、数据可视化、正式分析、数据整理。江德鹏：资源提供、资金筹集。夏丹丹：论文撰写——审阅与编辑、概念设计。江德辰：论文撰写——审阅与编辑、资金筹集、概念设计

资助情况

本研究得到了中国国家自然科学基金的支持（项目编号：22025403，22327802）。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。