研究背景
系统性衰老是一个伴随着生物体内多层次的连续退化的复杂的渐进过程。在这一过程中，细胞可能因代谢失调、DNA损伤、氧化应激或端粒功能障碍等急性应激因素而进入不可逆的细胞周期停滞，即细胞衰老。不同组织中的细胞在衰老水平上表现出高度异质性。单细胞转录组图谱的发展为理解衰老过程中的细胞特异性机制提供了新的视角，揭示了新的衰老标志物和潜在干预靶点。与单细胞转录组分析相比，单细胞代谢组分析能够直接监测实时代谢状态，为细胞衰老期间的生理变化提供更全面的理解，全面解读衰老期间的单细胞代谢组对于揭示衰老的潜在机制至关重要。
然而目前单细胞代谢研究面临诸多挑战：（1）单细胞在细胞群中的分离需要有效的技术以确保将单个细胞分离以逐一研究；（2）细胞内代谢物受细胞膜的阻挡，需要有效的提取手段；（3）代谢组学作为生命活动末端，具有高度动态性，难以实时捕捉代谢信息；（4）代谢小分子种类繁多，要求技术具有多指标检测能力；（5）单细胞水平的代谢物含量极低，需要高度敏感的检测方法。
表面增强拉曼光谱（surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS）是一种非破坏性、低成本、便携和无标记的分子检测方法。SERS在单细胞检测细胞膜分子、特定代谢物、疾病相关蛋白、应激反应和固定细胞内分子方面已取得初步进展。但对无标记、实时检测细胞内代谢物的应用非常有限。此外，SERS在单细胞代谢组学中的应用从全局视角来看乏善可陈，主要是由于小分子代谢物在液体体系中的多样性扩散和波动，这使得仅通过传统的单条或平均SERS光谱的收集和分析很难准确且可重复地捕获样本的全面代谢特征。
工作介绍
图1. 利用SlipChip-SERS微流控平台检测单细胞水平代谢谱。
近日，上海交通大学叶坚、朱芳芳、沈峰团队通过合作在Advanced Science发表了题为“A Single-Cell Metabolic Profiling Characterizes Human Aging via SlipChip-SERS”的研究工作。与以往研究不同，本研究开发了一种结合SERS技术的滑动式微流控芯片（SlipChip）系统，用于无标记、高通量、超灵敏检测和分析单细胞代谢特征。
如图1所示，SlipChip通过两个微流控板的简单相对滑动操作，实现对单细胞液滴的精确操控。通过细胞膜穿孔技术，将细胞内的代谢物释放到缓冲溶液中，这种方法巧妙地避开了细胞膜可能带来的分析干扰。同时，它还在微体积液体测试系统中实现了测试环境的均一性，并通过收集光谱集（即SERSome）来确保测试结果的稳定性，进而灵敏、可靠和方便地解析单细胞代谢指纹，实现细胞聚类及代谢分析。通过全面解读特征峰，并对体外分析中某些代谢物在细胞衰老中的潜在作用进行验证，有助于揭示和探索与衰老相关的代谢途径，这些途径可能成为改善衰老的潜在靶点。
在该研究中，作者利用SlipChip-SERS系统对不同衰老阶段的成纤维细胞进行了单细胞代谢分析（图2）。通过收集年轻和衰老成纤维细胞的SERS光谱集并进行差异性分析，1571 cm-1特征峰对分类起到了重要贡献，且在衰老细胞中显著上调，推测该峰指向了在衰老途径中起到显著调控作用的代谢物。并且从年轻到衰老的迁移轨迹中看出（图2f），同类型单细胞的光谱存在异质性。通过进一步搜索数据库，12种具有1571 cm-1特征峰的代谢物（如图2g所示，包括精胺、异亮氨酸、牛磺酸等）被用于进一步的细胞层面筛选，最终发现精胺作为一种多胺，在体外实验中显著促进了细胞衰老。
图 2. 年轻和衰老单细胞群的鉴别应用。
该研究还进行了精胺在不同细胞类型中促进细胞衰老的机制讨论（图3）。在GM00038细胞中，精胺处理后细胞表现出经典衰老表型。这些变化伴随着H2O2的增多，表明精胺可能通过氧化损伤积累途径促进细胞衰老。在其他细胞类型（HUVECs和WRL-68细胞）进一步的实验中也观察到了类似的衰老诱导效应，证实了精胺对细胞衰老影响的广泛性。通过质谱分析，我们验证了衰老细胞中精胺含量的增加。这些发现强调了多胺代谢在衰老过程中的作用，并提示精胺代谢的调节可能为延缓衰老提供新的干预策略。
多胺作为真核生物的基本有机产物，已被证明是真核细胞的生长和生存所必需，先前研究发现在多种年龄相关疾病中多胺代谢异常响应，强调了多胺代谢在自然衰老中的潜在作用。我们的研究为理解精胺在细胞衰老中的作用提供了新的视角，并为未来的抗衰老干预措施提供了潜在的靶点。而SlipChip-SERS系统为深入研究单细胞代谢提供了一个强大的工具，预计将在生物医学和药物发现中发挥重要作用。
图 3. 精胺在体外实验中促进细胞衰老。
该项工作是上海交通大学生物医学工程学院叶坚团队、朱芳芳团队和沈峰团队的合作成果。上海交通大学生物医学工程学院博士生刘复港、博士生刘嘉庆、博士生罗洋为论文共同第一作者，朱芳芳副教授、沈峰副教授以及叶坚教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、上海交通大学、上海市妇科肿瘤重点实验室的支持。
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