中國科大在單神經元質譜技術和大腦神經元代謝研究中獲進展

膜片鉗與單細胞質譜分析聯用技術分析單個神經細胞示意圖

近日，中國科學技術大學化學與材料科學學院教授黃光明與生命科學學院教授熊偉開展緊密合作，基於自行開發的單細胞電生理與質譜聯合檢測平台，對小鼠大腦中單個神經元開展了多種化學成分的快速質譜檢測，並且可以做到同步採集電生理信號，在單細胞層次上成功完成了對神經元功能、代謝物組成及其代謝通路的研究。相關研究成果以Single-Neuron Identification Of Chemical Constituents,Physiological Changes, And Metabolism Using Mass Spectrometry 為題，於2月21日在線發表在國際學術期刊《美國科學院院刊》(PNAS)上。

腦內神經細胞在細胞形態、突觸連結、細胞結構、電生理以及生理功能上具有高度的多樣性。不同種類的神經細胞中，其化學分子組成、含量、代謝也都有著很大的差別。因此，對腦內單個神經元的化學成分進行分析，具有重要的生物學價值。質譜分析因為具有高靈敏度、大的線性範圍以及高通量分析化學分子的特點，逐漸被用於單細胞的細胞代謝分析。但目前的方法需要使用大量有機試劑對細胞進行處理，無法保持採樣時細胞的活性；冗長的處理和分離過程也導致較慢的分析速度，無法短時間內完成大量單細胞分析，並缺乏來自同一細胞的電生理信號，最終導致單細胞代謝物的質譜分析無法大規模用於神經細胞的分析。近年來，中國科大黃光明實驗室與熊偉實驗室緊密合作，開發了能用於複雜樣品的原位質譜分析方法，大大提高了分析速度，並於近期實現了針對細胞內蛋白質的直接分析（Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50:2503;Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50:9907; Anal. Chem. 2016,88:10860），同時通過電生理膜片鉗技術開展了對小鼠腦內單個神經元的功能鑒定與解析（Nat. Chem. Biol., 2011; J. Exp. Med., 2012; Nat. Neurosci., 2014）。這些研究為實現單個神經細胞的高通量質譜分析、代謝物鑒定和代謝通路研究提供了重要的工作基礎。

該工作實現了單個神經元化學成分及代謝物的即時分析，該技術將目前神經細胞成分分析的研究推向了一個活細胞及單細胞水平，有望在單細胞層次上去研究神經生物學、代謝組學、毒理學等生命科學的重大問題，具有非常重要的應用前景，得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院先導專項以及國家青年千人計劃等資助，以及中國科大國家同步輻射實驗室光電離質譜線站的儀器與技術支持。

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