2021年7月5日，来自美国UCSD的Theodore Alexandrov教授团队在Nature Methods上发表题为SpaceM reveals metabolic states of single cells的工作，他们开发了一种原位单细胞代谢组学的开源方法，基于MALDI 成像质谱，结合荧光信号和形态空间特征，实现了单细胞、高通量、原位代谢组分析，每小时能从1 000个细胞中检测出100种以上的代谢物。为了使单细胞代谢组学分析大众化，作者利用商品化的MALDI成像质谱和光学显微镜开发了一种开源方法，SpaceM。基于MALDI的单细胞代谢组学分析的难点是将代谢产物强度的分配给单个细胞。为了解决这一问题，作者利用光学显微镜进行图像分割和校准，然后MALDI成像分析代谢物。对于SpaceM，细胞需要在显微镜兼容的基质上培养，然后固定、荧光染色和干燥。SpaceM从获取显微图像开始，称为pre-MALDI。pre-MALDI图像为细胞细分提供了广泛的表型信息，包括单个细胞的荧光强度和形态学特性。接着，用MALDI基质喷洒样品，MALDI成像质谱对样品进行非目标分析，检测其中代谢物和脂质。MALDI采样后会有明显的烧蚀痕迹，可以用于确定产生信号的区域。因此，进行第二轮显微成像(post-MALDI)与第一轮共校准，并利用新开发的高精度图像校准方法，实现亚微米精度的分辨率。最终，SpaceM提供了一个单细胞空间分子矩阵，并为每个细胞提供了在其固有的空间环境中量化的多重信号，包括非目标代谢谱、荧光强度和空间形态特征。为了验证SpaceM的有效性，作者仅基于单细胞代谢图谱，预测了共培养的人HeLa细胞和小鼠NIH3T3成纤维细胞的细胞类型。为了验证预测的准确性，细胞类型利用mCherry和GFP强度之间的线性边界确定（两种细胞分别持续表达H2B-mCherry和GFP)。SpaceM提供了445个HeLa和400个NIH3T3共培养细胞的88种代谢物的代谢图谱，基于单细胞代谢谱的鉴定精确度达到91%。除了表征细胞类型外，作者还使用SpaceM来识别脂肪酸刺激下分化的人肝细胞(dHepaRG)细胞系的代谢状态。该细胞模型常用于NAFLD（非酒精性脂肪肝）研究，其中肝细胞经历脂质代谢重塑和细胞内脂肪滴的积累，称为脂肪变性。进一步，NAFLD可进展为NASH（非酒精性肝炎），肝脏中的脂肪会引起炎症，即肝炎和肝细胞损伤。随着时间的推移，这会导致肝纤维化或瘢痕，肝硬化和肝癌。SpaceM提供了来自2840个dHepaRG细胞的740个代谢物的谱图。UMAP和非监督聚类的代谢谱显示了两个不同的亚群的特征【6,7】。肝细胞中的脂质组成在稳态条件下受到严格调控。然而，过量的游离脂肪酸和其他应激源，包括炎症细胞因子，会促进异常的脂质储存，最终导致NASH。为了研究NAFLD向NASH转变过程中单个肝细胞的代谢重构情况，作者分析了四种情况下的细胞:(1)CTRL：不做处理的控制组，模拟稳态状态的;(2)+FA：以油酸和棕榈酸为刺激剂，模拟无炎症的NAFLD；(3)+FA+IL17A：以FA和炎性细胞因子IL17A为刺激剂，模拟NASH；(4)+FA+IL17A+TPCA1：以FA，IL17A及抑制其炎症作用的TPCA1为刺激剂。SpaceM提供了来自29,738个肝细胞的740个代谢物的谱图，非监督聚类显示了三个主要聚类，分别代表稳态、过渡态和脂肪代谢状态。伪时间分辨的单细胞代谢谱图可以用于表征肝细胞从稳态到脂肪态的发展。 代谢状态标记物随着时间逐渐变化，表明各状态内的代谢均存在异质性。作者还鉴定到了不同状态的特定代谢标志物，并用LC-MS/MS进一步验证。与先前的方法相比，SpaceM有几个优点：首先，SpaceM可以使用任何现代的MALDI成像源，而不需要特殊的仪器。第二，SpaceM允许细胞在其原生培养环境中进行分析，从而避免任何扰动，并提供形态特征和细胞与细胞之间的关系。第三，提供亚细胞精度的分辨率。总之，开源的SpaceM方法不仅填补了蓬勃发展的单细胞代谢组学领域的巨大空白，而且被用于表征dHepaRG肝细胞的代谢异质性和状态。SpaceM简单的设计、低的仪器要求和良好的兼容性可能会为单细胞代谢组学的平民化铺平道路。https://doi.org/10.1038/s41592-021-01198-0
