越来越多的证据表明新陈代谢在细胞命运决定中发挥着重要作用，然而，在细胞的空间分辨率下评估代谢是具有挑战性的。这里描述了一种细胞类型特异性空间动态代谢组学平台，该平台使用高空间分辨率基质辅助激光解吸/电离质谱成像（MALDI-MSI）以亚细胞分辨率研究了复杂异质肾组织中目标细胞的代谢变化，同时将空间动态代谢组学与单细胞转录组测序相结合，进一步将该平台开发为多组学方法，共同表征了动态细胞代谢。
论文标题：Spatial dynamic metabolomics identifies metabolic cell fate trajectories in human kidney differentiation
刊登日期：2022年11月
发表期刊：Cell Stem Cell
影响因子：23.9
研究机构：荷兰莱顿大学医学中心
技术手段：空间代谢组学、单细胞转录组
DOI：https://doi.org/10.1016/j.stem.2022.10.00
全面了解人类肾脏发育过程中代谢过程的机制，认识肾脏的异质细胞复杂性，对于识别可改善内源性或外源性肾脏再生的化合物和策略至关重要。该研究使用多组学平台研究了复杂组织中的细胞类型特异性代谢动力学，描述了人类胎儿肾脏细胞中的代谢轨迹，用以有效指导干细胞分化的相关性研究。
1. 人胎儿肾脏中细胞的代谢异质性和发育轨迹
作者首先使用之前报告中预处理的人类胎儿肾脏的单细胞转录组数据绘制了发育中肾脏的代谢基因图谱，从妊娠13周、16周和18周的3个不同年龄的人胎儿肾脏中鉴定出22种细胞类型。代谢基因数据集的伪时间分析表明，肾单位祖细胞（NPC）向每个成熟肾单位成分的分化具有特定的代谢轨迹，同时，远端、近端和足细胞上皮的发育伴随着不同的代谢途径变化，包括中枢能量代谢和脂质重塑。
图1 单细胞转录组学表征的人肾细胞代谢异质性
2. 空间代谢组学揭示了人胎儿肾脏中肾细胞的代谢异质性
作者应用高空间分辨率 MALDI-MSI 以亚细胞空间分辨率（像素大小5x5 mm2）检测了新鲜冷冻16周的人胎肾组织的空间代谢组和脂质组。发现分配给脂质种类的分子特征被证明对于细胞类型识别来说信息最丰富，同时来自严格年龄范围（16-19WG）内的不同供体的人胎儿肾脏显示出相似的脂质谱，这表明肾细胞类型之间的代谢异质性相对大于年龄范围内的差异。
图2 空间代谢组学表征人肾细胞代谢异质性
3. 脂质重塑揭示人胎儿肾脏发育轨迹
为了进一步探索肾脏发育过程中的脂质重塑，作者对空间脂质组应用了伪时间分析，同时将 MALDI-MSI 应用于人类肾母细胞瘤活检样本。轨迹分析发现了从肾始祖细胞出发的三条发育轨迹，表明祖细胞阶段存在潜在的脱靶分化，并且没有向成熟管状结构的任何进一步分化。
图3 伪时间分析阐明肾细胞簇之间的发育关系
4. 近端肾小管上皮分化过程中的代谢转换
为了研究胎儿肾脏发育过程中的动态代谢变化和营养分配，作者在人类胎儿肾脏上应用了细胞类型特异性空间动态代谢组学平台。发现在所有近端肾小管（PT）发育阶段，脂肪酸U-13C18-亚油酸和U-13C2-乙酸酯是TCA循环中间体柠檬酸和谷氨酸的主要碳源，而不是U-13C6-葡萄糖、U-13C5-谷氨酰胺、和 13C3-乳酸。这表明，当NPC向成熟的近端上皮分化时，糖酵解向脂肪酸氧化（FAO）的转变。
图4人胎儿肾近端上皮细胞的动态代谢测量
5. hiPSC衍生的肾类器官近端上皮的代谢不成熟
为了检查hiPSC衍生的肾脏类器官中的近端上皮分化，作者对从两个hiPSC系（LUMC0072 和 iPSC-MAFB）分化的衍生的肾脏类器官进行MALDI-MSI测量，发现他们具有相似的脂质模式，但与从人类胎儿肾组织获得的脂质组指纹有很大不同，可能反映了肾脏类器官管状上皮的未成熟状态。
图5 hiPSC 衍生的肾类器官近端上皮细胞的脂质异质性和不成熟性
6. 丁酸盐选择性地促进hiPSC衍生肾类器官近端肾小管的分化
最后，作者探究了hiPSC来源的肾类器官中的FAO对PT分化的影响。研究发现，与人类胎儿和成人肾脏中的PT相比，肾脏类器官PT缺乏CPT1的表达，实际表达的是MCT1——介导（短链脂肪酸）SCFA穿过细胞膜的转运蛋白，因此，SCFA可以选择性地改善hiPSC衍生肾类器官的PT分化。
图6丁酸盐促进肾类器官近端肾小管细胞分化
综上所述，在该研究中，作者首先通过单细胞转录组发现了胎儿肾细胞中的不同类型细胞的差异代谢，然后通过空间转录组得到的有效验证，发现了能量代谢和脂质重塑产生的差异。作者进一步对空间脂质组应用了伪时间分析和细胞类型特异性空间动态代谢分析，发现了肾单位祖细胞向成熟的近端上皮分化时，糖酵解向脂肪酸氧化的转变。最后，作者探究了hiPSC 来源的肾类器官中的FAO对PT分化的影响，发现SCFA和丁酸可以促进PT细胞的分化，而SCFA的转运主要因为肾脏类器官PT中MCT1的表达。
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