細胞作為構成生命的基本單位具有異質性，單細胞代謝組學（single-cell metabolomics, SCM）從細胞層面揭示代謝過程的復雜性和多樣性，對于探究疾病發生、發展及精準醫療等至關重要。此前SCM面臨諸多技術挑戰，包括小分子代謝物穩健檢測困難、樣本通量有限、數據重復性差，限制了其在生物學、醫學等領域的廣泛應用。

2025年9月5日，歐洲分子生物學實驗室Theodore Alexandrov團隊在Cell雜志上發表了題目為“HT SpaceM: A high-throughput and reproducible method for small-molecule single-cell metabolomics”的文章。該研究結合AP-SMALDI5 AF & Q Exactive Plus Orbitrap質譜成像技術、定制載玻片細胞制備和批量處理技術，開發了HT SpaceM——一種高通量、高重現性單細胞代謝組學方法，結合提出的功能全面的數據分析框架，為單細胞小分子代謝物分析提供了革命性工具，同時拓展了MALDI質譜成像技術在單細胞代謝組學高通量應用。 

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技術創新與優勢

超高通量設計，樣本處理效率躍升

HT SpaceM創新工作流程采用了激光刻蝕定制化多孔載玻片，將樣本孔數量提升至40個，配合可拆卸的細胞制備腔室，經過全切片顯微鏡成像與AP-SMALDI5 AF & Q Exactive Plus Orbitrap質譜成像分析，結合細胞分割算法Cellpose和以及跨孔批處理分析，能夠在同一塊載玻片處理高達40個樣品，每個樣品可對超過1000個細胞進行分析，適用于各種細胞類型，大幅降低批次效應，極大地提高了單細胞級別代謝物檢測的通量。

HT SpaceM 工作流程

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標準化數據分析框架，數據解讀更系統

研究人員提出并驗證了一套單細胞代謝組學數據分析框架，該框架整合了質量控制、無監督聚類、重復性評估、變異性分析、代謝物結構驗證、富集分析與創新的單細胞共豐度代謝網絡等分析方法。使用該框架，研究者能夠更深入地理解多維度空間代謝組數據，識別保守代謝通路、樞紐代謝物以及細胞異質性。

HT SpaceM數據分析框架

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小分子代謝物高覆蓋、高重現性分析

通過使用高精度的AP-SMALDI5 AF & Q Exactive Plus Orbitrap質譜成像平臺，HT SpaceM能夠在單細胞內檢測到＞100種小分子代謝物，覆蓋了主要的類別和通路小分子，包括氨基酸、核苷酸、脂肪酸和碳水化合物等。

高靈敏度與高可重復性是新興SCM技術的核心要求。HT SpaceM在孔間與玻片間可重復性高，多數檢測代謝物變異性低。同一載玻片內約76%的玻片內孔與孔之間相關系數（R）≥0.97，不同載玻片的樣本相關性（R）仍高達0.88~0.99，且不受細胞系的影響，81.48%代謝物的CV值≤20%。HT SpaceM檢測結果通過與常規液質聯用Orbitrap Exploris 240代謝組學數據的對比，驗證了工作流程的準確性。 

HT SpaceM高重現性、低變異性，代謝物檢測匹配Orbitrap Exploris 240檢測結果（點擊查看大圖）

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解鎖多場景應用潛力

解析腫瘤細胞代謝異質性

使用HT SpaceM對9種NCI-60腫瘤細胞系（涵蓋乳腺癌、結腸癌、肺癌等）和HeLa細胞進行分析，共檢測到202種小分子離子。單細胞譜圖的 UMAP 顯示，細胞按細胞系清晰聚類，孔重復樣本間可重復性高。進一步通過無監督聚類和“一對一”差異分析，揭示細胞系特異性標志代謝物。此外，富集分析可為代謝類別與通路的差異表達提供深入見解，結合代謝共豐度網絡構建，有助于揭示關鍵代謝樞紐或協同代謝程序。

9種NCI-60和Hela細胞系單細胞代謝特征

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藥物干預下的單細胞代謝動態

為了進一步探究HT SpaceM在藥物研究中的適用性，研究人員對經糖酵解抑制劑2-DG處理12h、24h后的HeLa細胞分別進行譜圖分析。HT SpaceM精準捕捉到明顯的代謝變化，且變化符合2-DG的預期效應：葡萄糖積累、糖酵解抑制、檸檬酸水平升高等。單細胞代謝網絡分析顯示，多個通路中代謝協調關系發生改變，藥物處理后以葡萄糖為中心重構代謝網絡。聚類分析識別出三個細胞亞群，表明細胞對處理響應存在異質性，為藥物響應差異研究提供新視角。 

糖酵解抑制后出現的代謝協同與細胞異質性

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單細胞代謝組學科研新思路

HT SpaceM 基于MALDI質譜成像系統，解決了此前SCM 面臨的核心痛點，提供高通量、可靠的SCM數據，使其特別適用于臨床珍貴的樣本，如循環腫瘤細胞、免疫細胞或活檢樣本等，為單細胞代謝組學高通量分析提供了全新的技術平臺。

左：AP-SMALDI5 AF Orbitrap質譜成像系統

右：Orbitrap Exploris 240高分辨液質聯用儀

AP-SMALDI Orbitrap質譜成像系統除了分析單細胞代謝物空間定位外，還可以作為一種進樣方式，為單細胞代謝組學提供高通量定量分析。本研究采用AP-SMALDI5 AF & Q Exactive Plus Orbitrap質譜成像系統，其3μm高空間分辨確保可以實現單細胞水平分析，Orbitrap的超高分辨率、超高質量精度以及超高靈敏度，確保了低豐度小分子代謝物的可靠檢測，為整個工作流程提供了核心硬件支撐。文中代謝物結構驗證的LC-MS/MS分析，選用Orbitrap Exploris 240，其24萬分辨率及Compound Discover數據庫為代謝物注釋提供了可靠的保障。

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