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代谢失调是细胞衰老的关键驱动因素，导致系统性衰老的进展。衰老细胞的异质性及其代谢变化是复杂的，尚未被探索。
2024年9月4日，上海交通大学叶坚、朱芳芳、沈峰共同通讯在Advanced Science 在线发表题为“A Single-Cell Metabolic Profiling Characterizes Human Aging via SlipChip-SERS”的研究论文。该研究开发了一种集成了表面增强拉曼光谱（SERS）的微流体SlipChip，称为SlipChip-SERS，用于单细胞代谢分析
这种滑动芯片-SERS能够对单细胞进行区室化，并行递送皂苷和纳米粒子以释放细胞内代谢物，并通过简单的滑动操作实现SERS检测。使用SlipChip-SERS对不同癌细胞系的分析证明了其对单个细胞进行敏感和多重代谢分析的能力。当应用于不同年龄的人类原代成纤维细胞时，它鉴定出12种差异代谢物，其中精胺被证实是细胞衰老的有效诱导剂。长期接触精胺可诱发典型的衰老表型，例如衰老相关的β-半乳糖苷酶活性增加、衰老相关基因表达升高和LMNB1水平降低。此外，还证实了精胺在HUVEC和WRL-68细胞中的衰老诱导能力，外源性精胺处理增加了H2O2的积累和释放。总体而言，开发了一种用于单细胞代谢分析的新型SlipChip-SERS系统，揭示了精胺是多种细胞类型衰老的潜在诱导剂，这可能为解决衰老和衰老相关疾病提供新策略。
系统性衰老是一种复杂、渐进的现象，其特点是生物体内连续多层次的退化。在衰老过程中，当细胞暴露于特定的急性应激源（如代谢失调、直接DNA损伤、氧化应激和端粒功能障碍）时，可能会经历不可逆的细胞周期停滞，即细胞衰老。衰老细胞在衰老过程中积聚在各种组织中，并通过分泌促炎和促纤维化因子（也称为衰老相关分泌表型(SASP)）促进系统性衰老过程。衰老与细胞内和细胞外代谢密切相关，特定的代谢改变可以有效触发这一过程。例如，NAD+/NADH比率降低（表明线粒体功能障碍）、生理氧水平偏差和高血糖都是细胞衰老的关键诱因。此外，衰老细胞表现出独特的代谢变化，其特征是游离多不饱和脂肪酸和过渡金属的积累、鞘磷脂-神经酰胺途径活性增强以及dNTP的消耗。虽然代谢重编程在维持衰老细胞持久的细胞周期停滞方面起着至关重要的作用，但对衰老和全身代谢组改变的复杂代谢反应仍需进一步探索。在不同的组织中，细胞（即使是同一微环境中的细胞）在衰老水平上表现出高度的异质性。最近对系统性衰老的研究逐渐集中在单细胞水平上，以研究衰老过程中的潜在细胞机制。涵盖各种组织和与年龄相关的疾病的单细胞转录组图谱的发展极大地促进了对驱动衰老过程的细胞特异性机制的全面了解，揭示了单细胞分辨率下的新衰老标志物和潜在干预目标。与单细胞转录组分析相比，单细胞代谢组分析提供了直接监测实时代谢状态的机会，并提供了对细胞衰老过程中生理变化的更全面、更稳定和更直观的理解。越来越多的文献致力于探索细胞衰老过程中的代谢变化，最近的一项研究阐明了溶酶体亚群特异性代谢组学的全面变化，从而揭示了导致衰老进展的局部代谢组学反应。然而，需要注意的是，虽然溶酶体代谢组提供了有价值的见解，但它仅代表细胞代谢组的一部分。线粒体、内质网和其他参与代谢过程的细胞区室的代谢模式改变也在驱动细胞衰老方面发挥着重要作用。因此，解读衰老过程中的综合细胞代谢组对于进一步阐明潜在机制至关重要。通过SlipChip-SERS微流控平台在单细胞水平上检测代谢谱（图源自Advanced Science ）新兴研究强调了代谢调节在系统性衰老中的重要性，线粒体功能障碍和营养感应通路失调被认为是衰老进程的主要驱动因素。直接补充特定代谢物可以调节细胞衰老。例如，N-乙酰半胱氨酸已被证明可以通过减少衰老相关β-半乳糖苷酶(SA-β-gal)阳性细胞的数量和降低p53和p21的水平来改善顺铂诱导的肾脏衰老。此外，各种代谢物都参与了表观遗传修饰酶的调节，而表观遗传修饰酶控制着与细胞衰老相关的基因的表达。多胺，包括腐胺、亚精胺和精胺，是参与所有真核细胞中DNA复制、RNA转录、蛋白质合成和翻译后修饰的天然代谢物。值得注意的是，全血中的精胺水平在衰老过程中会发生改变，多胺中精胺的比例会随着年龄的增长而显着增加，这表明精胺代谢与全身衰老之间存在相关性。此外，在多种与年龄相关的疾病中都观察到了高水平的腐胺（精胺合成的前体），例如癌症、帕金森症和缺血性疾病。先前的研究还表明，多胺代谢中间体N1-乙酰精胺水平升高与全因死亡风险增加和长寿几率降低有关。然而，这些改变的潜在机制以及这些改变是否有助于衰老过程仍不清楚。因此，在异质单细胞水平上了解细胞代谢（例如多胺代谢）对于揭示衰老机制非常重要。由于单细胞水平上的代谢物含量极低，因此需要高灵敏度的检测方法。质谱法(MS)因能同时分析多个分子而成为一种常用的细胞代谢特征分析技术。然而基于MS的单细胞分析技术仍面临着诸多挑战，包括对小分子量代谢物的敏感性、仪器成本、便携性和易用性。相比之下，表面增强拉曼光谱(SERS)作为反映化学键信息的分子指纹振动光谱，通过金属胶体的增强，即使在单分子水平上也能提供无损、低成本、便携和无标记的分子检测能力。SERS在细胞膜分子、特定代谢物、疾病相关蛋白、应激反应和固定细胞内分子的单细胞检测方面取得了初步进展，而对细胞内代谢物的无标记实时检测则较少。此外，从整体角度来看，SERS在单细胞代谢组学中的应用仍然有限，这主要是由于小代谢物在液体系统中的扩散和波动各不相同，因此仅通过传统的单一或平均SERS光谱的收集和分析很难准确且可重复地捕获样品的整体代谢特征。与这些研究不同，作者最近专注于探索细胞内的多种代谢物。通过利用细胞膜穿孔将代谢物释放到缓冲溶液中，分析点从细胞本身转移到分泌到溶液中的代谢物。这种方法不仅可以避免来自细胞膜的干扰，还可以通过使用光谱集（即SERSome）集合来实现液体测试系统的一致性并确保测试稳定性。利用单细胞SERS代谢组学分析为深入研究异质衰老细胞内不同的SERS特征提供了机会。通过对特征峰进行全面检查，并通过体外分析验证某些代谢物在细胞衰老中的潜在作用，该方法有助于揭示和探索与衰老相关的代谢途径，作为改善衰老的潜在目标。在这项工作中，作者开发了一种结合SERS技术的SlipChip微流控系统，称为SlipChip-SERS，用于无标记、高通量、超灵敏的单细胞代谢谱检测和分析。为了在单细胞水平上进行细胞内代谢谱分析，通常需要先对单细胞进行区室化，然后释放细胞内代谢物并进行SERS分析。这将需要并行操作纳升液滴，这对于传统的基于液滴的微流控方法来说是一个挑战。SlipChip微流控装置可以通过简单的滑动操作生成和操作不同体积的液体分区，通常从纳升到飞升。作者设计了SlipChip-SERS装置，以便在并行液滴上进行多种个性化操作，包括分散单细胞和金属胶体、破坏细胞膜和释放细胞内代谢物，然后进行拉曼光谱分析。该系统能高效地将细胞分散到封闭的纳米孔中形成单细胞液滴，并混合裂解物释放细胞内的代谢物，通过收集单细胞代谢物的SERSome，作者能够灵敏、可靠、方便地解析单细胞代谢指纹，实现细胞聚类。首先，作者应用该系统分离单个癌细胞，相应的代谢谱分析验证了该技术的稳健性。随后，作者利用该系统检测了年轻和老年人类成纤维细胞的单细胞代谢谱，以识别潜在的衰老标志物。进一步，作者采用两步代谢物筛选来缩小促衰老代谢物候选范围，并在细胞水平上识别出最具潜力的代谢物精胺。作者得出结论，精胺可以在体外诱导多种细胞类型的细胞衰老，这为靶向精胺相关通路干预细胞衰老提供了机会。因此，作者的SlipChip-SERS系统为深入研究单细胞代谢提供了有力的工具，有望在生物医药和药物研发中发挥重要作用。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202406668![]()
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