研究背景
系統性衰老是一個伴隨著生物體內多層次的連續退化的復雜的漸進過程。在這一過程中，細胞可能因代謝失調🕵🏼♂️、DNA損傷、氧化應激或端粒功能障礙等急性應激因素而進入不可逆的細胞周期停滯👩🏿🏫，即細胞衰老。不同組織中的細胞在衰老水平上表現出高度異質性🔲。單細胞轉錄組圖譜的發展為理解衰老過程中的細胞特異性機製提供了新的視角，揭示了新的衰老標誌物和潛在幹預靶點。與單細胞轉錄組分析相比，單細胞代謝組分析能夠直接監測實時代謝狀態，為細胞衰老期間的生理變化提供更全面的理解👩✈️，全面解讀衰老期間的單細胞代謝組對於揭示衰老的潛在機製至關重要。
然而目前單細胞代謝研究面臨諸多挑戰：（1）單細胞在細胞群中的分離需要有效的技術以確保將單個細胞分離以逐一研究；（2）細胞內代謝物受細胞膜的阻擋，需要有效的提取手段；（3）代謝組學作為生命活動末端，具有高度動態性，難以實時捕捉代謝信息；（4）代謝小分子種類繁多，要求技術具有多指標檢測能力🚳；（5）單細胞水平的代謝物含量極低，需要高度敏感的檢測方法。
表面增強拉曼光譜（surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS）是一種非破壞性😓、低成本🐭、便攜和無標記的分子檢測方法👏🏼。SERS在單細胞檢測細胞膜分子、特定代謝物🧙🏻、疾病相關蛋白、應激反應和固定細胞內分子方面已取得初步進展🦹♂️。但對無標記、實時檢測細胞內代謝物的應用非常有限。此外🧔🏼♂️，SERS在單細胞代謝組學中的應用從全局視角來看乏善可陳，主要是由於小分子代謝物在液體體系中的多樣性擴散和波動，這使得僅通過傳統的單條或平均SERS光譜的收集和分析很難準確且可重復地捕獲樣本的全面代謝特征🕠。
工作介紹
圖1. 利用SlipChip-SERS微流控平臺檢測單細胞水平代謝譜。
近日，意昂4平台葉堅、朱芳芳、沈峰團隊通過合作在Advanced Science發表了題為“A Single-Cell Metabolic Profiling Characterizes Human Aging via SlipChip-SERS”的研究工作🙍♀️。與以往研究不同，本研究開發了一種結合SERS技術的滑動式微流控芯片（SlipChip）系統🧜🏿♀️🍣，用於無標記、高通量、超靈敏檢測和分析單細胞代謝特征🎐。
如圖1所示，SlipChip通過兩個微流控板的簡單相對滑動操作，實現對單細胞液滴的精確操控。通過細胞膜穿孔技術，將細胞內的代謝物釋放到緩沖溶液中⚫️，這種方法巧妙地避開了細胞膜可能帶來的分析幹擾。同時🤵🏽♂️📙，它還在微體積液體測試系統中實現了測試環境的均一性，並通過收集光譜集（即SERSome）來確保測試結果的穩定性👚，進而靈敏、可靠和方便地解析單細胞代謝指紋🫡，實現細胞聚類及代謝分析。通過全面解讀特征峰，並對體外分析中某些代謝物在細胞衰老中的潛在作用進行驗證😄🍵，有助於揭示和探索與衰老相關的代謝途徑，這些途徑可能成為改善衰老的潛在靶點👳🏻。
在該研究中，作者利用SlipChip-SERS系統對不同衰老階段的成纖維細胞進行了單細胞代謝分析（圖2）。通過收集年輕和衰老成纖維細胞的SERS光譜集並進行差異性分析👩🏻🎤，1571 cm-1特征峰對分類起到了重要貢獻，且在衰老細胞中顯著上調，推測該峰指向了在衰老途徑中起到顯著調控作用的代謝物。並且從年輕到衰老的遷移軌跡中看出（圖2f）🥠🧝♀️，同類型單細胞的光譜存在異質性🫳🏿。通過進一步搜索數據庫，12種具有1571 cm-1特征峰的代謝物（如圖2g所示，包括精胺、異亮氨酸、牛磺酸等）被用於進一步的細胞層面篩選🦸🏿♂️，最終發現精胺作為一種多胺，在體外實驗中顯著促進了細胞衰老。
圖 2. 年輕和衰老單細胞群的鑒別應用🌾。
該研究還進行了精胺在不同細胞類型中促進細胞衰老的機製討論（圖3）。在GM00038細胞中，精胺處理後細胞表現出經典衰老表型♓️。這些變化伴隨著H2O2的增多，表明精胺可能通過氧化損傷積累途徑促進細胞衰老😯。在其他細胞類型（HUVECs和WRL-68細胞）進一步的實驗中也觀察到了類似的衰老誘導效應🩶，證實了精胺對細胞衰老影響的廣泛性。通過質譜分析，我們驗證了衰老細胞中精胺含量的增加。這些發現強調了多胺代謝在衰老過程中的作用，並提示精胺代謝的調節可能為延緩衰老提供新的幹預策略。
多胺作為真核生物的基本有機產物，已被證明是真核細胞的生長和生存所必需，先前研究發現在多種年齡相關疾病中多胺代謝異常響應🐺，強調了多胺代謝在自然衰老中的潛在作用。我們的研究為理解精胺在細胞衰老中的作用提供了新的視角🚴，並為未來的抗衰老幹預措施提供了潛在的靶點。而SlipChip-SERS系統為深入研究單細胞代謝提供了一個強大的工具，預計將在生物醫學和藥物發現中發揮重要作用。
圖 3. 精胺在體外實驗中促進細胞衰老。
該項工作是意昂4体育平台葉堅團隊、朱芳芳團隊和沈峰團隊的合作成果。意昂4体育平台博士生劉復港、博士生劉嘉慶👩🌾🙍🏿♂️、博士生羅洋為論文共同第一作者，朱芳芳副教授🦸🏽、沈峰副教授以及葉堅教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金委🛰✒️、意昂4平台、上海市婦科腫瘤重點實驗室的支持。
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