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单神经细胞质谱技术研究取得进展
发布日期:2017-02-23    浏览次数:258

2月22日国际综合研究权威期刊《美国国家科学院院报》(PNAS)在线发表了题为《Single-Neuron Identification Of Chemical Constituents, Physiological Changes, And Metabolism Using Mass Spectrometry》的研究论文。该研究由中国科学技术大学、中科院脑科学与智能技术卓越创新中心熊伟研究组与中科大化学学院黄光明研究组合作完成。该研究依托电生理膜片钳以及电喷雾离子源技术建立的稳定的单神经元胞内组分取样和质谱组分分析技术,对小鼠海马、前额叶、杏仁核、纹状体等脑区单个神经元内的数千种化学小分子进行了快速质谱检测,并且可以做到同步采集电生理信号,在单细胞层次上成功的完成了对神经元功能、代谢物组成及其代谢通路的研究。这项研究首次利用化学质谱方法直接无稀释的检测单个神经元中多种神经递质、代谢物、脂质等化学小分子,实现了单个神经元化学成分及代谢物的即时分析,该技术将目前神经细胞成分分析的研究推向了一个活细胞及单细胞水平,有望在单细胞层次上去研究神经生物学、代谢组学、毒理学等生命科学的重大问题,具有非常重要的应用前景。

大脑中有亿万个神经细胞,这些神经细胞在细胞形态,突触连结,细胞结构,电生理以及生理功能上具有高度的多样性。不同种类的神经细胞中,其化学分子组成、含量、代谢也都有着很大的差别。因此,对脑内单个神经元的化学成分进行分析,则具有重要的生物学价值。质谱分析因为具有高灵敏度,大的线性范围以及高通量分析化学分子的特点,逐渐被用于单细胞的细胞代谢分析。但目前的方法需要使用大量有机试剂对细胞进行处理,无法保持采样时细胞的活性;冗长的处理和分离过程也导致较慢的分析速度,无法短时间内完成大量单细胞分析;并缺乏来自同一细胞的电生理信号;最终导致单细胞代谢物的质谱分析无法大规模用于神经细胞的分析。

我们通过将膜片钳电生理技术与纳升电喷雾离子源技术联合(图a),创建了稳定的集单个神经元功能检测、组分质谱分析为一体的功能-组分质谱分析技术平台。并运用该技术成功对单个神经元内的经典神经递质如GABA、谷氨酸、多巴胺等进行检测和鉴定(图b)。为提高质谱检测的信噪比,我们用优化了用于电生理记录的电极內液,并对神经元的sEPSC以及sIPSC进行记录,两种电极内液记录到的结果完全一致(图c)。这说明我们建立的单细胞功能-组分质谱分析技术完全可以在检测神经元功能的同时,对单个神经元的化学组分进行分析。

此研究成功建立了一套稳定的单细胞质谱分析技术,并对不同年龄段的小鼠海马、杏仁核、纹状体等脑区单个神经元中的谷氨酰胺、谷氨酸以及GABA等化学小分子进行定性、定量分析并对其进行神经元分类,最后利用该技术成功鉴定单个神经元内谷氨酰胺的代谢路径。这项方法的成熟与普及,必会为后续单个神经元组分分析、神经元分类以及病理状态下单个神经元中组分变化分析提供强有力的手段。

该项工作由中科大生命学院与化学院联合培养博士后朱洪影、生命学院博士研究生邹桂昌、王宁在熊伟教授和黄光明教授的共同指导下完成。该研究工作得到了科技部、中科院战略性先导科技专项(B类)、国家自然科学基金委以及国家青年千人计划等的资助。该工作还得到中国科学技术大学同步辐射实验室光电离质谱线站的仪器与技术支持。

图示:a. 膜片钳与单细胞质谱分析联用技术分析单个神经细胞示意图。b. 单个神经元中常见神经递质的质谱分析图.  c. 改进膜片钳电生理记录系统记录到的sEPSC和sIPSC。