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研究人员正在开发创新性方法，以深入了解个体细胞的内部工作机制。图片来源：Torsten Wittmann/SPL

瑞士联邦理工学院（ETH）的分析化学家Renato Zenobi指出，细胞生物学家面临的一个基本问题是，细胞群体中分子平均浓度的分布往往掩盖了细胞之间的复杂性。他通过绘制与单峰分布相重合的曲线，强调了深入单个细胞层面的必要性。

细胞异质性是克隆种群中某些细菌发展抗菌素耐药性的原因之一，也导致了大脑中不同细胞亚群的产生，并解释了肿瘤的固态萌发。然而，监测这些差异的工具仍在起步阶段。

“最近的技术进步，尤其是过去两年中的进展，揭示了同一群细胞中个体细胞可能存在巨大的差异。”来自美国国立卫生研究院（NIH）的单细胞分析工作组项目负责人Ananda Roy表示，“这些差异对健康和疾病产生重要影响。”

全球的资助者正在积极支持单细胞研究。自2014年起，NIH已投入200万美元用于单细胞分析的特别计划，60个相关团队获得了资助。此外，日本高校与企业合作成立的单细胞测量员协会也在推动该领域的发展。

小而踏实的前进

Zenobi的团队通过分析单个酵母细胞，发现了同一基因样本中存在的两个表型，分别对应于低水平和高水平的代谢物。这一发现虽然尚未直接应用于生物医学，但为理解细胞的基本工作机制提供了新视角。

为了获取这些信息，Zenobi的团队采用了精细的技术来分离细胞，并提高分析的敏感性。他们使用一种特殊的硅片，每个硅片能传递数百个单独的细胞到质谱仪中。这些硅片表面覆盖着聚硅氮烷的网眼结构，经过激光微机械处理后形成数百到数千个储藏库。

研究生Robert Steinhoff展示了这些硅片如何与质谱仪结合使用。研究团队结合基质辅助激光解吸/电离（MALDI）与飞行时间分析器，能够在低至10^-18摩尔的范围内检测代谢物，且每个硅片可容纳约1000个细胞，这在单细胞分析中是相对高通量的。

伊利诺伊大学香槟分校的Jonathan Sweedler则研发了一种高通量方法，通过计算机控制激光定位单个细胞，处理约1万个细胞。尽管如此，为了更全面地观察代谢机制，他每次仍然仅分离一个细胞。

不同大小 不同探测

在单细胞分析中，细胞的大小至关重要。植物细胞的直径可从10微米到100微米不等，而哺乳动物细胞通常在10~20微米之间。微生物细胞则更小，甚至达到亚微米级。由于细胞大小的不同，代谢物的容量和数量也会有所差异。乔治华盛顿大学的化学家Akos Verte指出，没有单一的方法能够适应所有细胞的分析需求。

对于较大的细胞，研究团队使用锐化的光纤直接传递红外光，刺激细胞内的水分子结合，导致细胞爆破并喷射出内容物。这种方法的优势在于能够在细胞仍嵌入组织时进行分析，但操作较为缓慢。

对于较小的细胞，研究人员则使用纳米柱覆盖的硅表面进行分析，能够常规探测飞克分子（10^-15摩尔）的代谢水平。瑞典哥德堡大学的Andrew Ewing利用纳米级二次离子质谱分析（NanoSIMS）技术，评估神经囊泡中多巴胺的分布。

在日本大阪理化学研究所，化学家Tsutomu Masujima通过视频观察技术，向单个细胞内插入纳米流喷雾针，提取内容物并注入质谱仪中。这种方法使得团队能够更精细地捕捉和分析分子的丰富程度。

让数据合理化

加州斯克里普斯代谢组学和质谱分析中心的化学家Gary Siuzdak指出，生物信息学工具的进步使得这些发现得以合理化。尽管目前单细胞代谢领域的研究仍面临仪器和数据分析的挑战，但Siuzdak认为，通过借鉴单细胞转录组学的经验，可以加速生物信息学的发展。

其他研究人员也在探索基于质谱仪之外的单细胞分析策略，特别是活体细胞的研究。Heinemann表示，关键的技术挑战已经得到解决，现在需要的是持续的开发和有效的工作。

Masujima总结道：“我们经常会非常高兴地探测独特的分子，但更重要的是理解这些发现背后的生物学意义。”