整合单细胞代谢组学与表型分析：揭示细胞氧化和衰老的代谢异质性，解锁衰老干预新路径

在细胞氧化应激和衰老过程中，代谢组学异质性及其与细胞状态的关联尚不明确。中国科学技术大学等机构的研究人员开展了整合单细胞代谢组学和表型分析的研究。他们建立 SCLIMS 技术，发现代谢异质性影响细胞命运，关键代谢物可减轻氧化应激和衰老，为相关研究提供新视角。

　　在生命的微观世界里，细胞就像一个个神秘的小宇宙，各自进行着复杂而有序的生命活动。当细胞遭遇氧化应激和衰老时，其内部的变化就如同一场神秘的风暴，吸引着科学家们不断探索。以往，大多数代谢组学研究都在均质化的层面进行，就像是从高空俯瞰一座城市，只能看到大致的轮廓，却无法洞察每一个细胞的独特之处。细胞在这些过程中的代谢异质性以及其与细胞氧化、衰老状态的关系，一直隐藏在重重迷雾之中。为了揭开这层神秘的面纱，中国科学技术大学第一附属医院神经内科、生命科学与医学部等多个机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解细胞的奥秘打开了一扇新的大门。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先是单细胞活成像与质谱联用技术（SCLIMS），它如同一个精密的探测器，能够同时捕捉单个细胞的代谢组特征和细胞身份，将单细胞代谢组与细胞表型关联起来。此外，还运用了机器学习算法，通过构建分类和回归模型，来预测细胞的氧化应激（OS）状态。

下面来看具体的研究结果。

1. 整合活细胞成像和单细胞质谱：研究人员利用细胞氧化应激（OS）模型，将单细胞活成像与质谱技术相结合，建立了跨模态分析平台。通过该平台，他们在单个细胞中获得了代谢组和氧化水平的成对数据集，并且证明了该平台的稳定性和可靠性，DCFDA 孵育不会干扰细胞代谢。
2. SCLIMS 揭示细胞代谢与氧化水平之间的相关性：通过对单细胞代谢组学数据和 DCFDA 强度进行相关性分析，研究发现共有 254 种代谢物与 OS 水平显著相关，其中多数呈负相关。代谢物集富集分析（MSEA）显示，OS 会干扰多种代谢途径，如线粒体和能量代谢、氧化还原代谢等。在 MEFs 细胞中也得到了类似结果，证实了 SCLIMS 多模态分析的稳健性。
3. SCLIMS 识别的细胞类型表现出不同的 OS 水平：基于 SCLIMS 获得的单细胞代谢组进行聚类分析，细胞被分为六种亚型，且各亚型的 OS 水平不同。伪时间分析显示细胞亚型从低氧化水平向高氧化水平逐步发展。对各亚型代谢特征分析发现，不同亚型有特定的代谢标记物，代谢途径也存在差异。MEFs 细胞在 OS 下也呈现类似的代谢异质性。
4. SCLIMS 揭示单细胞代谢组预测细胞 OS 状态的能力：利用机器学习算法，研究人员训练分类和回归模型，结果表明单细胞代谢谱能够直接预测代谢亚型和单细胞 OS 水平，在两种细胞类型中均验证了代谢组与细胞 OS 状态之间的联系。
5. SCLIMS 揭示代谢异质性与 OS 状态之间的因果关系：研究发现初始细胞在 OS 水平上差异不大，但代谢组存在异质性。根据代谢组特征可将初始细胞分为两种亚型，且这两种亚型的代谢差异与不同 OS 水平细胞的代谢变化一致，表明代谢异质性可能是细胞 OS 水平异质性的根源。
6. 细胞的代谢异质性决定其在 OS 下的衰老命运：研究人员通过选择不同 GSH 水平的初始细胞，发现高 GSH 水平的细胞对 OS 更具抗性。利用活细胞 GSH 荧光染料和荧光激活细胞分选（FACS）技术分离出不同代谢特征的细胞，经 OS 诱导后，代谢特征决定了细胞的衰老敏感性。
7. SCLIMS 识别的关键代谢物减轻 OS 和细胞衰老：研究选取了三种关键代谢物（hypotaurine、phosphocreatine、O-phosphoethanolamine）进行实验，发现它们能降低细胞的 OS 水平，减少细胞衰老，恢复线粒体膜电位（MMP），在 MEFs 细胞中也有类似效果，表明这些关键代谢物具有保护作用。
8. 关键代谢物处理调节单细胞的代谢组：对不同处理组的细胞进行代谢分析，发现关键代谢物处理后的细胞代谢状态介于非 OS 和 OS 处理细胞之间，其代谢组更接近非 OS 细胞，且能恢复 OS 条件下下调的代谢物，调节相关代谢途径。
9. SCLIMS 识别的保护性代谢物促进健康衰老并延长寿命：在秀丽隐杆线虫衰老模型中，补充关键代谢物能显著延长线虫寿命，降低其 OS 水平，改善运动能力，表明这些代谢物具有促进健康衰老的作用。

在讨论部分，研究人员指出，SCLIMS 技术揭示了细胞在 OS 下的多种代谢变化，验证了代谢组与细胞表型之间的紧密联系，发现细胞初始代谢组状态决定其在 OS 下的命运，关键代谢物对 OS、细胞衰老和自然衰老具有保护作用。同时，该技术也存在一些局限性，如单细胞水平代谢物鉴定困难、在组织嵌入细胞中的应用有待探索等，但也为未来研究提供了方向。总之，这项研究为理解细胞氧化应激和衰老过程中的代谢调控机制提供了重要依据，为相关疾病的治疗和衰老干预开辟了新的道路。