Nat. Commun.｜从形态到分子：基于集成显微-质谱成像的空间细胞组学

细胞即使处于相同的遗传背景和微环境中，也表现出明显的异质性，影响其形态、分子组成和功能。近年来，单细胞组学和空间组学技术的发展，使得研究者能够在分子和空间层面解析这种差异。高分辨率质谱成像（MSI）为研究脂质和代谢物的空间分布提供了重要补充，其中MALDI-MSI结合激光后电离（MALDI-2）显著提升了灵敏度和分辨率。现有方法仍受限于分辨率、图像配准和数据自动化等因素，难以实现单细胞水平的精确分析。为此，来自德国明斯特大学的JensSoltwisch团队开发了一种结合透射模式MALDI-2与正交飞行时间质谱（oTOF）的系统，集成离子源内明场与荧光显微成像。该方法可直接从组织样本中获得单细胞层面的分子和形态学信息，为空间生物学提供了新的高精度研究手段。

研究人员首先对Bruker timsTOF-fleX MALDI-2质谱的离子源进行了改装，实现了透射模式MALDI（t-MALDI）分析，并在离子源内集成了明场和荧光显微成像（图1a,b）。该系统的激光传输与显微成像共享光路与样品台坐标，从而实现两种成像模式的天然共定位与精准配准（co-registration）（图1a）。为在MSI分析前进行荧光显微观察，研究人员还优化了染色方案，以最大程度减少化学改变和分子迁移，并系统评估了图像质量、形态完整性及质谱信息深度。

之后他们先在新鲜冷冻小鼠小脑冠状切片上验证了该方法的性能，采用针对细胞核、F-actin及浦肯野细胞钙结合蛋白（calbindin）的荧光与免疫染色（图1c）。所建立的染色方案保持了良好的形态结构和脂质信号完整性，显微图像与MSI数据的空间偏差小于1 µm（图2a-c）。t-MALDI-2-MSI在1×1 µm²像素下可分辨细胞层级的脂质分布，其检测到的脂质种类覆盖了文献中小鼠小脑脂质组的约82%。此外，染色步骤未降低脂质检测深度，所获质谱信号与已知脂质丰度吻合良好，验证了该方法在高分辨单细胞空间脂质分析中的可靠性与精确性。

图1.具备亚细胞分辨率、集成扫描显微镜的透射式 MALDI-2-MS

图2.小鼠小脑的外部荧光成像（FM）及其配准后的透射式 MALDI-2-MSI信号

为展示基于组织学引导的 t-MALDI-2-MSI 技术在亚细胞结构分析中的潜力，研究者以 THP-1 衍生的巨噬细胞为模型，在亚细胞分辨率下分析了 THP-1 衍生巨噬细胞的脂质分布。细胞吞噬带有 pHrodo 红色荧光的 E. coli 颗粒后，可标记出酸化的吞噬溶酶体。经共注册的荧光显微镜与 MSI 数据显示，荧光信号与特定脂质分布高度一致，证明了样品结构和信号的高保真（图3）。进一步分析发现，吞噬溶酶体区域富集多种脂质，如 E. coli 膜特有的 PE(33:1) 和 PE(34:2)，其中 PE(33:1) 仅存在于吞噬细胞中。MS/MS 实验证实这些脂质来源于被吞噬的病原物。研究还检测到 DG(33:1) 和 LPG 等降解产物，反映了吞噬溶酶体内的脂质代谢和分解过程。

图3.亚细胞分辨率下培养细胞的脂质分析

之后，研究利用改进的MALDI-MSI结合荧光显微技术，对4T1乳腺癌小鼠模型肿瘤组织进行了单细胞水平的脂质分布分析。研究者在组织切片中实现了免疫荧光标记（如CD45、Ly6G和DcTRAIL-R1）与高分辨质谱成像的精准配准，从而获得了约6万多个细胞的形态学与分子信息（图4）。通过单细胞分割与聚类分析，研究揭示了不同肿瘤微环境（TME）中细胞的脂质组成差异，并识别出8种分子特征各异的中性粒细胞亚型（图4b-d）。这些亚型在组织空间上具有明显分布规律，如部分位于肿瘤周边脂肪区、部分聚集于缺氧区域，并展现出与其微环境相关的脂质代谢特征。整体而言，该方法实现了在组织背景中对免疫细胞脂质组学的单细胞分辨分析，为理解肿瘤免疫代谢互作提供了新途径。

图4.肿瘤组织中中性粒细胞脂质谱

总结

本研究建立了一种高分辨率的单细胞空间质谱成像方法，可在组织水平上同时解析形态和脂质分布。该方法实现了形态学与分子信息的精准配准，使单个细胞能在其原位组织环境中进行多维度分子解析，超越了以往仅分析细胞邻域的研究局限。总体而言，该技术为揭示免疫浸润、药物作用及代谢调控等空间分子机制提供了强大工具，并有望与转录组、蛋白组数据结合，建立更完整的单细胞空间生物学体系。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-025-64603-8

供稿 | 陈小燕

责编 | 囡囡

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