$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
הטרוגניות מתא לתא התגלתה כעיקרון בסיסי של מערכות ביולוגיות, במיוחד בהקשרים של התקדמות מחלות, עמידות לתרופות והתמיינות תאית 1,2. באורגניזמים רב-תאיים, אפילו תאים זהים גנטית באותה מיקרו-סביבה יכולים להציג פנוטיפים מובחנים, הנובעים מהבדלים ברמות הטרנסקריפטומיות3, פרוטאומיות4, ובאופן מכריע, מטבולומיות5. בעוד שגנומיקה וטרנסקריפטומיקה של תא בודד צברו אחיזה משמעותית בעשור האחרון, מטבולומיקה של תא בודד נותרה לא מפותחת יחסית בשל המורכבות האינהרנטית והדינמיקה המהירה של מטבוליטים6. מטבוליטים רגישים מאוד לרמזים סביבתיים, יש להם מבנים כימיים וקוטבים מגוונים7, וקיימים בריכוזים נמוכים בנפחי תאים קטנים8. תכונות אלה הופכות את המדידה האמינה שלהם מתאים בודדים לאתגר אנליטי. מכיוון שהמטבולומיקה מציעה את תמונת המצב הקרובה ביותר של המצב התפקודי של התא בזמן אמת, שיטות מתקדמות לחקר המטבולום ברזולוציה של תא בודד חיונית להבנה מעמיקה יותר של הפיזיולוגיה והפתולוגיה של התא7.
טכניקות מטבולומיקה מסורתיות בתפזורת ממוצעות אותות על פני אוכלוסיות תאים גדולות, מסוות הטרוגניות תאית ועלולות לטשטש חתימות מטבוליות נדירות אך משמעותיות. לעומת זאת, מטבולומיקה של תא בודד חושפת פרופילים ביוכימיים ייחודיים ברמת התא הבודד, מה שהופך אותה לבעלת ערך רב לחקר תהליכים כמו התמיינות תאי גזע, תגובות לתרופות ומנגנוני מחלה 6,9,10,11,12,13. שיטות מבוססות ספקטרומטריית מסה (MS), כגון ספיגה-יינון לייזר בסיוע מטריצה (MALDI) MS ויונים משניים (SI) MS, קידמו את התחום אך מתמודדים עם אתגרים כמו הכנה מורכבת, דרישות ואקום ויינון הרסני המגבילים את ניתוח התאים החיים 9,14. במיוחד, ההתפתחויות האחרונות במכשור הביאו לטכניקות מתקדמות, כולל MALDI במצב שידור יחד עם פוסטיוניזציה המושרה על ידי לייזר (t-MALDI-215) וספקטרומטריית מסה של יונים משנית של Orbitrap (OrbiSIMS)16,17, אפשרו הדמיה מטבולית תלת מימדית ללא תוויות ברזולוציה גבוהה ברמת התא הבודד והתת-תאי, והציעו דיוק מסה ורזולוציה מרחבית יוצאי דופן.
יינון סביבתי MS מטפל בבעיות אלה. טכניקות ה-SCMS הסביבתיות המייצגות כוללות ספקטרומטריית מסה של וידאו חד-תא חי (Video-MS)18, DESI19 וננו-DESI20. ביניהם, ה-SCMS היחיד הוא אחת הטכניקות הבולטות ביכולתו לדגום וליינן ישירות תאים חיים בזמן אמת באמצעות מערכת נימית כפולה 21,22,23,24. טכניקה זו ממזערת את הפרעות הדגימה תוך שהיא מאפשרת פרופיל מטבולי ברזולוציה גבוהה באתרה ויושמה בהצלחה במחקרים של ספיגת תרופות והשפעה על חילוף החומרים של התאים 22,25,26,27,28,29,30, תגובות סביבתיות 31,32 והטרוגניות מטבולית33, 34,35,36 בין תאים בודדים.
בעוד ששיטות SCMS סביבתיות רבות מאפשרות ניתוח תאים חיים, הן בדרך כלל סובלות מתפוקה נמוכה עקב הטיפול הידני הנדרש לבחירת תאים בודדים 23,37,38. מכיוון שחילוף החומרים בתא הוא דינמי ביותר, הכנת דגימה מורחבת יכולה לשנות את פרופילי המטבוליטים. כדי לטפל בכך, החוקרים מיישמים טכניקות מרווה מיד לאחר בידוד תאים39,40. מרווה עוצר את הפעילות המטבולית על ידי קירור מהיר 41,42,43,44 או דנטורציה של אנזים 43,45,46,47, ומשמר את המצב הביוכימי של התאים ברגע מסוים. שלב זה חיוני להבטחת נתונים מטבולומיים מדויקים ורלוונטיים מבחינה זמנית. פרוטוקול מרווה יעיל חייב לעצור במהירות וביסודיות את הפעילות המטבולית התוך תאית. הוערכו שיטות שונות, כולל תמיסת מלח איזוטונית קרה48, אצטוניטריל צונן46, מתנול קר 44,47,48,49, תמיסת חיץ פוספט קר כקרח (PBS) 43,50, LN2 43,44,51, ואפילו טיפולים באוויר חם 52. בעוד שרבים מהם פותחו במקור עבור מטבולומיקה של תאים בתפזורת, חלקם, כמו מתנול קר ואצטוניטריל, הותאמו לטכניקות של תא בודד כגון Pico-ESI-MS39 ו-MALDI-MS46. למרות יעילותם, לכל שיטה יש חסרונות: ממיסים אורגניים עלולים לגרום לדליפת מטבוליט ולפגיעה בקרומי התאים48,53, ותמיסות מלח לא נדיפות עלולות להפריע לטרשת נפוצה על ידי גרימת דיכוי יונים54, הפחתת רגישות ופגיעה בדיוק הנתונים47,55.
הקפאת LN2 משמשת בדרך כלל במחקר ביולוגי56 מכיוון שהיא עוצרת במהירות את חילוף החומרים התאי מבלי להשאיר אחריה מלחים לא נדיפים, מה שהופך אותה למתאימה ל-SCMS. עם זאת, זה יכול לפגוע בקרומי התאים, וזה בעייתי עבור SCMS57,58. כדי להפחית את הנזק הזה, חלק מהמחקרים השתמשו בשיטה הכוללת סינון מהיר, שטיפת NaCl קרה והקפאת LN2, המסייעת בשמירה על מטבוליטים עם תחלופה מהירה53,59. ובכל זאת, שיטה זו אינה אידיאלית עבור SCMS בשל קשיים בבידוד תאים בודדים והשפעות מטריצה פוטנציאליות משאריות מלח. אחסון בטמפרטורה של -80 מעלות צלזיוס היא שיטת שימור נפוצה נוספת, אך השפעותיה על פרופילי מטבוליט של תא בודד נותרו לא ברורות. דיווחנו בעבר על מחקרים לטיפול במגבלות אלה על ידי שילוב של מספר שלבים מרכזיים: תאים נשטפים תחילה עם תמיסת AF נדיפה ותואמת MS, לאחר מכן מרווה אותם עם LN2, מיובשים בהקפאה בוואקום ומאוחסנים בטמפרטורה נמוכה (-80 מעלות צלזיוס)60. הגישה הנוכחית ממזערת נזק לתאים ופירוק מטבוליטים, ומאפשרת מדידות SCMS מדויקות יותר. עבודה זו מתמקדת בפרטים ניסיוניים, במטרה לקדם את אימוץ שיטת הכנת התאים הזו לטכניקות SCMS חזקות.