我院熊偉教授研究組在PNAS發(fā)表論文
2017年2月22日，我院熊偉教授實驗室與中科大化學學院黃光明教授聯(lián)合在《美國國家科學院院報》（PNAS）在線發(fā)表了題為《Single-Neuron Identification Of Chemical Constituents, Physiological Changes, And Metabolism Using Mass Spectrometry》的研究論文。該研究依托電生理膜片鉗以及電噴霧離子源技術建立的穩(wěn)定的單神經(jīng)元胞內(nèi)組分取樣和質(zhì)譜組分分析技術，對小鼠海馬、前額葉、杏仁核、紋狀體等腦區(qū)單個神經(jīng)元內(nèi)的數(shù)千種化學小分子進行了快速質(zhì)譜檢測，并且可以做到同步采集電生理信號，在單細胞層次上成功的完成了對神經(jīng)元功能、代謝物組成及其代謝通路的研究。這項研究首次利用化學質(zhì)譜方法直接無稀釋的檢測單個神經(jīng)元中多種神經(jīng)遞質(zhì)、代謝物、脂質(zhì)等化學小分子，實現(xiàn)了單個神經(jīng)元化學成分及代謝物的即時分析，該技術將目前神經(jīng)細胞成分分析的研究推向了一個活細胞及單細胞水平，有望在單細胞層次上去研究神經(jīng)生物學、代謝組學、毒理學等生命科學的重大問題，具有非常重要的應用前景。
大腦中有億萬個神經(jīng)細胞，這些神經(jīng)細胞在細胞形態(tài)，突觸連結，細胞結構，電生理以及生理功能上具有高度的多樣性。不同種類的神經(jīng)細胞中，其化學分子組成、含量、代謝也都有著很大的差別。因此，對腦內(nèi)單個神經(jīng)元的化學成分進行分析，則具有重要的生物學價值。質(zhì)譜分析因為具有高靈敏度，大的線性范圍以及高通量分析化學分子的特點，逐漸被用于單細胞的細胞代謝分析。但目前的方法需要使用大量有機試劑對細胞進行處理，無法保持采樣時細胞的活性；冗長的處理和分離過程也導致較慢的分析速度，無法短時間內(nèi)完成大量單細胞分析；并缺乏來自同一細胞的電生理信號；最終導致單細胞代謝物的質(zhì)譜分析無法大規(guī)模用于神經(jīng)細胞的分析。
我們通過將膜片鉗電生理技術與納升電噴霧離子源技術聯(lián)合（圖a），創(chuàng)建了穩(wěn)定的集單個神經(jīng)元功能檢測、組分質(zhì)譜分析為一體的功能-組分質(zhì)譜分析技術平臺。并運用該技術成功對單個神經(jīng)元內(nèi)的經(jīng)典神經(jīng)遞質(zhì)如GABA、谷氨酸、多巴胺等進行檢測和鑒定（圖b）。為提高質(zhì)譜檢測的信噪比，我們用優(yōu)化了用于電生理記錄的電極內(nèi)液，并對神經(jīng)元的sEPSC以及sIPSC進行記錄，兩種電極內(nèi)液記錄到的結果完全一致（圖c）。這說明我們建立的單細胞功能-組分質(zhì)譜分析技術完全可以在檢測神經(jīng)元功能的同時，對單個神經(jīng)元的化學組分進行分析。
此研究成功建立了一套穩(wěn)定的單細胞質(zhì)譜分析技術，并對不同年齡段的小鼠海馬、杏仁核、紋狀體等腦區(qū)單個神經(jīng)元中的谷氨酰胺、谷氨酸以及GABA等化學小分子進行定性、定量分析并對其進行神經(jīng)元分類，最后利用該技術成功鑒定單個神經(jīng)元內(nèi)谷氨酰胺的代謝路徑。這項方法的成熟與普及，必會為后續(xù)單個神經(jīng)元組分分析、神經(jīng)元分類以及病理狀態(tài)下單個神經(jīng)元中組分變化分析提供強有力的手段。
該項工作由中科大生命學院與化學院聯(lián)合培養(yǎng)博士后朱洪影、生命學院博士研究生鄒桂昌、王寧在熊偉教授和黃光明教授的共同指導下完成。該研究工作得到了科技部、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金委等的資助。該工作還得到中國科學技術大學同步輻射實驗室光電離質(zhì)譜線站的儀器與技術支持。
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圖示：a. 膜片鉗與單細胞質(zhì)譜分析聯(lián)用技術分析單個神經(jīng)細胞示意圖。b. 單個神經(jīng)元中常見神經(jīng)遞質(zhì)的質(zhì)譜分析圖.?c. 改進膜片鉗電生理記錄系統(tǒng)記錄到的sEPSC和sIPSC。
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論文鏈接：http://www.pnas.org/content/early/2017/02/17/1615557114.full
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