中科大最新PNAS：单神经元质谱技术

　　

中国科学技术大学化学与材料科学学院教授黄光明与生命科学学院教授熊伟开展紧密合作，基于自行开发的单细胞电生理与质谱联合检测平台，对小鼠大脑中单个神经元开展了多种化学成分的快速质谱检测，并且可以做到同步采集电生理信号，在单细胞层次上成功完成了对神经元功能、代谢物组成及其代谢通路的研究。

相关研究成果以Single-Neuron Identification Of Chemical Constituents,Physiological Changes, And Metabolism Using Mass Spectrometry 为题，于2月21日在线发表在国际学术期刊《美国科学院院刊》(PNAS)上。

脑内神经细胞在细胞形态、突触连结、细胞结构、电生理以及生理功能上具有高度的多样性。不同种类的神经细胞中，其化学分子组成、含量、代谢也都有着很大的差别。因此，对脑内单个神经元的化学成分进行分析，具有重要的生物学价值。

质谱分析因为具有高灵敏度、大的线性范围以及高通量分析化学分子的特点，逐渐被用于单细胞的细胞代谢分析。但目前的方法需要使用大量有机试剂对细胞进行处理，无法保持采样时细胞的活性；冗长的处理和分离过程也导致较慢的分析速度，无法短时间内完成大量单细胞分析，并缺乏来自同一细胞的电生理信号，最终导致单细胞代谢物的质谱分析无法大规模用于神经细胞的分析。

近年来，中国科大黄光明实验室与熊伟实验室紧密合作，开发了能用于复杂样品的原位质谱分析方法，大大提高了分析速度，并于近期实现了针对细胞内蛋白质的直接分析（Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50:2503;Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50:9907; Anal. Chem. 2016,88:10860），同时通过电生理膜片钳技术开展了对小鼠脑内单个神经元的功能鉴定与解析（Nat. Chem. Biol., 2011; J. Exp. Med., 2012; Nat. Neurosci., 2014）。这些研究为实现单个神经细胞的高通量质谱分析、代谢物鉴定和代谢通路研究提供了重要的工作基础。

这一工作实现了单个神经元化学成分及代谢物的即时分析，该技术将目前神经细胞成分分析的研究推向了一个活细胞及单细胞水平，有望在单细胞层次上去研究神经生物学、代谢组学、毒理学等生命科学的重大问题，具有非常重要的应用前景，得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院先导专项以及国家青年****等资助，以及中国科大国家同步辐射实验室光电离质谱线站的仪器与技术支持。

原文摘要：

Single-neuron identification of chemical constituents, physiological changes, and metabolism using mass spectrometry

The use of single-cell assays has emerged as a cutting-edge technique during the past decade. Although single-cell mass spectrometry (MS) has recently achieved remarkable results, deep biological insights have not yet been obtained, probably because of various technical issues, including the unavoidable use of matrices, the inability to maintain cell viability, low throughput because of sample pretreatment, and the lack of recordings of cell physiological activities from the same cell. In this study, we describe a patch clamp/MS-based platform that enables the sensitive, rapid, and in situ chemical profiling of single living neurons. This approach integrates modified patch clamp technique and modified MS measurements to directly collect and detect nanoliter-scale samples from the cytoplasm of single neurons in mice brain slices. Abundant possible cytoplasmic constituents were detected in a single neuron at a relatively fast rate, and over 50 metabolites were identified in this study. The advantages of direct, rapid, and in situ sampling and analysis enabled us to measure the biological activities of the cytoplasmic constituents in a single neuron, including comparing neuron types by cytoplasmic chemical constituents; observing changes in constituent concentrations as the physiological conditions, such as age, vary; and identifying the metabolic pathways of small molecules.