2025年即将收官，当我们回望生命科学领域的年度热词，“单细胞代谢组学”占据了重要位置。单细胞代谢组学是生命科学领域的一项突破性技术，它能够在单个细胞水平上全面解析代谢物的组成、动态变化及相互作用。相对于传统群体代谢组学，单细胞代谢组学技术突破了“细胞群体平均值”的局限性，从而在分辨率和信息发现能力上实现了质的飞跃，揭示传统群体细胞分析所掩盖的细胞异质性。
应用单细胞代谢组学技术，在肿瘤、干细胞、免疫细胞等高度异质性的体系中，能精准识别出驱动疾病进展、耐药或决定细胞命运的、罕见的代谢功能亚群，使研究人员能够洞察细胞分化、免疫应答、肿瘤微环境等过程中不同细胞亚群的代谢重塑，直接关联生物与代谢表型。
尽管面临检测灵敏度、代谢物鉴定及通量等方面的技术挑战，但随着单细胞代谢物分析质谱分析技术的进步、仪器装备的发展，单细胞代谢组学正成为连接细胞分子图谱与功能表型的关键桥梁，未来将在生命科学及转化医学中发挥更深刻的变革性作用。
应用领域（1）：抗肿瘤药物机制与耐药性研究
1. 肿瘤细胞对吉非替尼产生继发性耐药的代谢特征与标志物研究
针对非小细胞肺癌患者在接受吉非替尼治疗过程中常出现的继发性耐药（Secondary Resistance）问题，研究人员构建了单细胞代谢组学研究平台，通过阶梯式加药法成功建立了耐受不同浓度药物的细胞株（PC9GR1-3），并发现随着耐药程度的提高，细胞的总体离子强度显著上升，反映了耐药相关的代谢积累。研究鉴定了19个关键代谢标志物，发现甘油磷脂代谢途径（特别是PC、PE和SM）发生了显著改变，这可能与细胞膜结构的重塑或信号传导的改变有关。更重要的是，单细胞分析揭示了随着耐药等级提升，细胞群体的内部代谢异质性进一步扩大，对药物敏感的亚群比例逐渐减少。这一发现为临床诊断肿瘤耐药“深度”提供了分子指纹图谱，并为克服继发性耐药提供了新的生化靶点。
来源： Zhu G, Zhang W, Zhao Y, Wang G, Hanyu Yuan, Guangsheng Guo, et al. Single-Cell Mass Spectrometry Studies of Secondary Drug Resistance of Tumor Cells. Anal Chem. 2025;97(1):337-44.
2. 吉非替尼对非小细胞肺癌（NSCLC）细胞的早期抗肿瘤机制研究
利用单细胞代谢组学平台，在单细胞水平上深入探究了抗肿瘤药物吉非替尼对非小细胞肺癌（NSCLC）细胞的作用机制。研究发现，经过药物处理后的PC9细胞在代谢响应上表现出显著的细胞异质性，通过t-SNE算法可清晰分为两个亚群。其中，约14.4%的细胞亚群表现出明显的耐药特征，其谷胱甘肽（Glutathione）代谢途径未受显著影响，能够通过维持抗氧化水平来清除活性氧（ROS），从而在药物压力下生存。这种微弱但关键的亚群差异在传统的群体细胞平均值分析中会被完全掩盖，导致无法准确判断半胱氨酸和蛋氨酸代谢途径在耐药中的真实影响。该研究证明了单细胞代谢组学在评价临床药物早期疗效、识别微量耐药亚群及开发针对性治疗方案方面的巨大潜力。
来源：Zhu G, Zhang W, Zhao Y, Chen T, Yuan H, Liu Y, et al. Single-Cell Metabolomics-Based Strategy for Studying the Mechanisms of Drug Action. Anal Chem. 2023;95(10):4712-20.
应用领域（2）：肿瘤异质性探索和细胞功能分型
1. 肝癌组织微环境的代谢异质性与罕见癌干细胞研究
研究人员结合激光捕获微切割技术和单细胞质谱分析技术，揭示了人肝细胞癌（HCC）组织微环境的空间代谢差异。结果显示，葡萄糖、谷氨酰胺和琥珀酸在肿瘤区域显著富集，而正常的邻近组织则表现出完全不同的代谢谱，这反映了肿瘤区高强度的能量需求和代谢重构。此外，该平台首次在单细胞水平上验证了前列腺癌干细胞（CSCs）中存在高度激活的三羧酸（TCA）循环。相比于普通癌细胞，CSCs中的柠檬酸、苹果酸、琥珀酸等中间产物显著积累，揭示了这类罕见细胞独特的能量代谢调节网络，为针对性地根除肿瘤干细胞提供了生化依据。
来源：Xu T, Li H, Dou P, Luo Y, Siming Pu, Hua Mu, et al. Concentric Hybrid Nanoelectrospray Ionization-Atmospheric Pressure Chemical Ionization Source for High-Coverage Mass Spectrometry Analysis of Single-Cell Metabolomics. Adv Sci. 2024;11(16):e2306659.
2. 肿瘤微环境影响下巨噬细胞极化的关键生化因素
巨噬细胞在生理和病理过程中表现出极强的可塑性，可极化为促炎型的M1型或抗炎型的M2型 。在肿瘤微环境中，巨噬细胞往往趋向于M2型极化，从而促进肿瘤生长 。由于临床样本中M1和M2型巨噬细胞缺乏高度特异性的抗原，传统方法难以有效区分和分离这些亚型 。该项研究通过单细胞水平的大规模代谢指纹分析，研究了巨噬细胞从M0状态向促炎（M1）和抗炎（M2）极化过程中的代谢重构，确定了谷氨酰胺（Glutamine）是驱动极化的核心代谢物。实验证明，M1型极化对环境中的谷氨酰胺具有高度依赖性；而在模拟肿瘤微环境的共培养体系中，快速生长的肿瘤细胞会优先掠夺环境中的谷氨酰胺。这种“养分争夺”导致巨噬细胞因缺乏谷氨酰胺而无法极化为抗肿瘤的M1型，转而向促进肿瘤发展的M2型演变。该案例不仅揭示了免疫细胞的功能异质性，还提出了通过调节微环境氨基酸浓度来诱导免疫系统重新对抗肿瘤的治疗新方向。
来源：Hu X, Liu X, Feng D, Xu T, Hang Li, Chunxiu Hu, et al. Polarization of Macrophages in Tumor Microenvironment Using High-Throughput Single-Cell Metabolomics. Anal Chem. 2024;96(37):14935-43.
3. 癌细胞迁移行为与代谢异质性研究
肿瘤的转移和复发往往源于特定的细胞亚群，这些亚群可能对放化疗具有抗性。该项研究深入探寻了个体肿瘤细胞的生理和表型多样性。在骨肉瘤（U2OS）细胞的研究中，发现经历DNA损伤反应（DDR）的细胞亚群中，多不饱和脂肪酸（PUFAs）显著下调，这可能是一种抑制铁死亡并促进受损细胞在辐射应激下生存的保护机制。在胶质母细胞瘤（GBM）的研究中，通过对比不同迁移能力的亚群，发现快速迁移细胞中的神经酰胺和甘油三酯含量显著较低。这表明侵袭性强的癌细胞可能通过消耗脂质储备来获取能量，以支持其迁移行为。该研究展示了如何利用单细胞代谢组学解析肿瘤转移和耐药背后隐藏的功能表型异质性。
来源：Cheng KW, Su PR, Kate Jo-Ann Feller, Miao-Ping Chien, Cheng-Chih Hsu. Investigating the Metabolic Heterogeneity of Cancer Cells Using Functional Single-Cell Selection and nLC Combined with Multinozzle Emitter Mass Spectrometry. Anal Chem. 2024;96(2):624-9.
应用领域（3）：环境毒理学评估
1. 新兴污染物6:2 Cl-PFESA对斑马鱼肝细胞的性别差异毒性研究
6:2 氯代全氟醚磺酸（6:2 Cl-PFESA）是一种新兴的全氟及多氟化合物（PFAS），具有潜在的生物毒性。该研究探讨了PFAS替代品6:2 Cl-PFESA对斑马鱼肝细胞的致毒机制。单细胞分析揭示了显著的性别特异性蓄积异质性：污染物在雌性肝细胞中的蓄积水平远高于雄性。代谢响应方面，雄性细胞主要通过动员葡萄糖和脂肪酸代谢来调节能量平衡并应对压力；而雌性细胞则表现出更严重的甘油磷脂途径紊乱和氨基酸代谢异常，反映了其细胞膜结构经历了更剧烈的重塑。该研究证明了单细胞技术在环境毒理学中的独特价值，能够揭示微量污染物暴露如何导致不同性别个体在分子层面上产生差异化的健康风险。
来源：Zhong C, Zeng H, Deng J, Quchang Li, Ziqing Li, Junqiu Zhai, et al. High-Throughput Single-Cell Mass Spectrometry Reveals Sex-Specific Metabolic Responses to 6:2 Chlorinated Polyfluoroalkyl Ether Sulfonate in Zebrafish Liver Cells. Anal Chem. 2025;97(14):7600-5.
2. 低剂量污染物HFPO-DA对胚胎干细胞的代谢毒性机制
六氟环氧丙烷二聚酸（HFPO-DA）作为全氟辛酸（PFOA）的替代品，被广泛用于工业生产，但其潜在的健康风险日益引起关注。该研究调查了HFPO-DA对小鼠胚胎干细胞的影响。研究发现，基于大量细胞平均水平的分析无法准确反映HFPO-DA的真实毒性机制。相对地，即使在无明显细胞毒性的环境相关浓度（10 nmol/L）下，单细胞水平也检测到了显著的代谢紊乱。暴露主要干扰了氮代谢、精氨酸和脯氨酸生物合成等17条途径，从而影响了核苷酸和氨基酸的稳态。特别值得注意的是，肌酸和谷氨酰胺等关键代谢物呈现出非单调剂量效应响应，即低剂量暴露即可诱发复杂的生化平衡波动。这一应用强调了在单细胞层面评估“环境剂量”化学品安全性的必要性，为建立更敏感的毒理学评价标准提供了技术支撑。
来源：Liu Y, Zhang W, Yuan H, Tong Pei, Tian Chen, Ke Gao, et al. Exposure single-cell metabolomics mass spectrometry reveals HFPO-DA toxicity mechanisms. Chem Sci. 2025;10.1039/D5SC07089A.
应用领域（4）：生殖医学与代谢重塑
1. 卵母细胞成熟阶段特异性代谢变化与机制
使用单细胞质谱分析技术，对单个小鼠卵母细胞成熟过程中的代谢变化进行了深入分析。通过比较生发泡期（GV）和减数分裂II期（MII）的卵母细胞，研究人员发现了76个具有显著差异的代谢特征。在卵母细胞从GV向MII成熟的过程中，发生了广泛的代谢重塑。与脂质代谢相关的代谢物水平整体下降。此外，多种氨基酸、核苷酸的水平上升，为蛋白质和核酸合成提供了底物。研究还观察到一个重要的代谢转变：嘌呤代谢相关代谢物增加，而嘧啶代谢物减少，表明细胞资源从嘧啶代谢向嘌呤代谢倾斜。这些发现系统性地揭示了卵母细胞成熟伴随的代谢通路协同变化
来源：Yang J, Wang J, Cheng R, Liao T, Pan S, Du M, Liu W, Yan L, Zhang S, Zhang X. Microseparation of Lipophilic and Hydrophilic Metabolites for Single Oocyte Mass Spectrometry Analysis. Anal Chem. 2025;97:1704-1710.
2. 单卵母细胞成熟相关脂质生物标志物研究
该项研究对单个小鼠卵母细胞进行了脂质组学分析，系统比较了其在四个连续成熟阶段（GV, GVBD, MI, MII）的动态变化。研究发现，卵母细胞成熟伴随着显著的脂质种类特异性重塑：主要磷脂（如PC、PE）及其氧化形式的水平在整个成熟过程中呈持续下降趋势。鞘磷脂（SM）、甘油三酯（TG）、磷脂酰丝氨酸（PS）和磷脂酰甘油（PG）的水平则随着卵母细胞成熟逐步上升，与能量储备、膜功能及细胞信号传导相适应。其中，PC(40:4)、PC(40:3)和PE(34:0)在成熟过程中持续显著下降，是判断卵母细胞是否进入完全成熟MII期的潜在脂质生物标志物。
来源：Yang J, Liao T, Zhang P, Cheng R, Wang J, Pan S, Du M, Zhao B, Liu W, Yan L, Zhang S, Zhang X. On-Valve μSFE-SFC-MS Enables Fast Analysis of Single Oocyte Lipidome. Anal Chem. 2025;97:18726-18734.
华仪宁创SinCell-100是一款能实现单细胞代谢物分析的高端质谱仪（图1），基于萃取法可全自动完成单细胞的定位、萃取、电离、质谱分析，是细胞生物学和单细胞代谢组学研究的有力工具。SinCell-100凭借其技术原创性与应用突破性，2024年被认定为先进装备制造业“国际首台(套)产品” （图2）。
公司通过自主创新突破了皮升液滴萃取技术、皮升电喷雾质谱技术、超精密显微操控技术等核心关键技术，解决了如何从单细胞中获取代谢物和皮升级样本超长时间充分稳定离子化、全自动亚微米显微控制等单细胞分析国际技术难题，研制了国际首创单细胞代谢物分析质谱仪，为科研人员和临床医生开展前沿生命科学探索和精准医学研究提供了尖端的分析工具。
图1.华仪宁创SinCell-100单细胞代谢物分析质谱仪
图2.华仪宁创单细胞代谢物分析质谱仪被认定为“国际首台(套)产品”
宁波华仪宁创智能科技有限公司（简称“华仪宁创”）成立于2015年，总部位于浙江省宁波市。公司投资建设了一流的质谱研发平台和人才创新平台，依托农产品质量安全全国重点实验室、国家级博士后科研工作站、浙江省重点院士工作站、浙江省先进质谱技术与分子检测重点实验室等平台，已打造了一支国内一流、掌握质谱核心关键技术、具有国际竞争力的质谱仪创新队伍。
华仪宁创通过自主创新已研发了：小型化直接电离质谱仪、单细胞代谢物分析质谱仪、三重四极杆液相色谱质谱联用仪、临床检验POCT质谱仪、结构分析质谱仪等系列化质谱仪产品。3款产品被认定为首台套产品（1个国际首台套、2个国内首台套）。公司在直接电离质谱技术、皮升电喷雾质谱技术等领域掌握原创质谱技术并居于行业领先地位，是国产质谱仪突围代表企业。
华仪宁创以“科技保障生命健康、安全、繁衍”为使命，面向公安禁毒、法医毒物、食品安全、药物分析、代谢组学、蛋白组学、医学检验、新污染物分析等应用场景，通过产学研用合作，深耕行业，不断实现应用突破，为用户提供“能用、耐用、好用”的先进检测工具和解决方案，逐步获得口碑和用户认可。
华仪宁创以“中华仪器宁波创造”为己任，愿景是发展成为国际一流的生命健康和安全检测智能仪器创新企业、成为我国高端仪器装备领域自主创新、成果转化典范。
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