$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Hücreden hücreye heterojenlik, özellikle hastalığın ilerlemesi, ilaç direnci ve hücresel farklılaşma bağlamlarında biyolojik sistemlerin temel bir ilkesi olarak ortaya çıkmıştır 1,2. Çok hücreli organizmalarda, aynı mikro ortamdaki genetik olarak özdeş hücreler bile, transkriptomik3, proteomik4 ve en önemlisi metabolomik seviyeler5'teki farklılıklardan kaynaklanan farklı fenotipler sergileyebilir. Tek hücreli genomik ve transkriptomik son on yılda önemli bir ilgi görmüş olsa da, tek hücreli metabolomikler, metabolitlerin doğal karmaşıklığı ve hızlı dinamikleri nedeniyle nispeten az gelişmiş kalmaktadır6. Metabolitler çevresel ipuçlarına karşı oldukça hassastır, çeşitli kimyasal yapılara ve polaritelere7 sahiptir ve küçük hücre hacimlerinde8 düşük konsantrasyonlarda bulunur. Bu özellikler, tek tek hücrelerden güvenilir ölçümlerini analitik bir zorluk haline getirir. Metabolomik, bir hücrenin gerçek zamanlı fonksiyonel durumunun en yakın anlık görüntüsünü sunduğundan, metabolomu tek hücre çözünürlüğünde sağlam bir şekilde incelemek için yöntemlerin geliştirilmesi, hücresel fizyoloji ve patolojinin daha derin bir şekilde anlaşılması için gereklidir7.
Geleneksel toplu metabolomik teknikler, büyük hücre popülasyonlarındaki sinyallerin ortalamasını alır, hücresel heterojenliği maskeler ve nadir fakat önemli metabolik imzaları potansiyel olarak gizler. Buna karşılık, tek hücreli metabolomikler, bireysel hücre düzeyinde benzersiz biyokimyasal profiller ortaya çıkarır ve bu da onu kök hücre farklılaşması, ilaç yanıtları ve hastalık mekanizmaları gibi süreçleri incelemek için paha biçilmez kılar 6,9,10,11,12,13. Matris destekli lazer desorpsiyon-iyonizasyon (MALDI) MS ve ikincil iyon (SI) MS gibi kütle spektrometrisi (MS) tabanlı yöntemler, alanı ilerletmiştir, ancak canlı hücre analizini sınırlayan karmaşık hazırlık, vakum gereksinimleri ve yıkıcı iyonizasyon gibi zorluklarla karşı karşıyadır 9,14. Özellikle, enstrümantasyondaki son gelişmeler, lazer kaynaklı postiyonizasyon (t-MALDI-215) ve Orbitrap ikincil iyon kütle spektrometrisi (OrbiSIMS)16,17 ile birleştirilmiş iletim modu MALDI dahil olmak üzere en son tekniklerle sonuçlandı ve tek hücreli ve hücre altı düzeyde etiketsiz, yüksek çözünürlüklü 3D metabolik görüntülemeyi mümkün kıldı ve olağanüstü kütle doğruluğu ve uzamsal çözünürlük sundu.
Ortam iyonizasyonu MS bu sorunları ele alır. Temsili ortam SCMS teknikleri, canlı tek hücreli video kütle spektrometrisi (Video-MS)18, DESI19 ve nano-DESI20'yi içerir. Bunlar arasında, tek problu SCMS, çift kılcal sistem 21,22,23,24 kullanarak canlı hücreleri gerçek zamanlı olarak doğrudan örnekleme ve iyonize etme yeteneği ile öne çıkan tekniklerden biridir. Bu teknik, yüksek çözünürlüklü, yerinde metabolik profilleme sağlarken numune bozulmasını en aza indirir ve ilaç alımı ve hücre metabolizması üzerindeki etkisi 22,25,26,27,28,29,30, çevresel tepkiler 31,32 ve metabolik heterojenlik33 çalışmalarına başarıyla uygulanmıştır. 34,35,36 tek tek hücreler arasında.
Birçok ortam SCMS yöntemi canlı hücre analizini mümkün kılarken, bireysel hücre seçimi 23,37,38 için gereken manuel kullanım nedeniyle tipik olarak düşük verimden muzdariptirler. Hücre metabolizması oldukça dinamik olduğundan, uzun süreli numune hazırlama metabolit profillerini değiştirebilir. Bunu ele almak için araştırmacılar, hücreleri39,40 izole ettikten hemen sonra söndürme teknikleri uygularlar. Söndürme, hücrelerin biyokimyasal durumunu belirli bir anda koruyarak, hızlı soğutma 41,42,43,44 veya enzim denatürasyonu 43,45,46,47 yoluyla metabolik aktiviteyi durdurur. Bu adım, doğru ve zamansal olarak alakalı metabolomik verilerin sağlanması için hayati öneme sahiptir. Etkili bir söndürme protokolü, hücre içi metabolik aktiviteyi hızlı ve kapsamlı bir şekilde durdurmalıdır. Soğuk izotonik salin48, soğutulmuş asetonitril46, soğuk metanol 44,47,48,49, buz gibi soğuk fosfat tampon çözeltisi (PBS) 43,50, LN2 43,44,51 ve hatta sıcak hava tedavileri 52 dahil olmak üzere çeşitli yöntemler değerlendirilmiştir. Bunların çoğu başlangıçta toplu hücre metabolomikleri için geliştirilmiş olsa da, soğuk metanol ve asetonitril gibi bazıları Pico-ESI-MS39 ve MALDI-MS46 gibi tek hücreli tekniklere uyarlanmıştır. Etkinliklerine rağmen, her yöntemin dezavantajları vardır: organik çözücüler metabolit sızıntısına ve hücre zarlarındahasara 48,53 neden olabilir ve uçucu olmayan tuz çözeltileri, iyon baskılanmasına54, hassasiyeti azaltarak ve veri doğruluğundanödün vererek 47,55 MS'e müdahale edebilir.
LN2 ani dondurma, biyolojik araştırmalarda56 yaygın olarak kullanılır, çünkü uçucu olmayan tuzları geride bırakmadan hücresel metabolizmayı hızla durdurur ve bu da onu SCMS için iyi bir seçim haline getirir. Bununla birlikte, SCMS57,58 için sorunlu olan hücre zarlarına zarar verebilir. Bu hasarı azaltmak için, bazı çalışmalarda hızlı filtrasyon, soğuk NaCl yıkama ve hızlı devirli metabolitlerin53,59 tutulmasına yardımcı olan LN2 dondurmayı içeren bir yöntem kullanılmıştır. Yine de bu yöntem, tek tek hücrelerin izole edilmesindeki zorluklar ve tuz kalıntılarından kaynaklanan potansiyel matris etkileri nedeniyle SCMS için ideal değildir. -80 °C'de depolama başka bir yaygın koruma yöntemidir, ancak tek hücreli metabolit profilleri üzerindeki etkileri belirsizliğini korumaktadır. Birden fazla temel adımı birleştirerek bu sınırlamaları ele almak için daha önce çalışmalar bildirmiştik: hücreler önce uçucu, MS uyumlu bir AF çözeltisi ile yıkanır, daha sonra LN2 ile söndürülür, vakumla dondurularak kurutulur ve düşük sıcaklıkta (-80 ° C) saklanır60. Mevcut yaklaşım, hücre hasarını ve metabolit bozulmasını en aza indirerek daha doğru SCMS ölçümlerine olanak tanır. Bu çalışma, sağlam SCMS teknikleri için bu hücre hazırlama yönteminin benimsenmesini teşvik etmeyi amaçlayan deneysel ayrıntılara odaklanmıştır.