[发明专利]快速天然单个细胞质谱分析法

说明书

一种通过质谱分析法分析单个细胞的方法，包括在液体介质中提供多个细胞并将所述细胞和液体介质置于单个细胞分离喷出系统中的步骤。从单个细胞分离喷出系统中释放含有单个细胞的液体介质。在含有流动的捕获探头溶剂的捕获探头中捕获所述液体介质和单个细胞。用捕获探头中的裂解诱导器裂解所述细胞以将单个细胞组分分散到所述介质中。将裂解的单个细胞组分输送到质谱仪，其中进入该质谱仪的所述裂解的单个细胞组分与进入该质谱仪的来自样本的另一个单个细胞的任何分散组分在空间和时间上分开。对所述裂解的单个细胞组分进行质谱分析。还公开了一种通过质谱分析法分析单个细胞的系统。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年12月18日提交的标题为“Rapid Native Single Cell MassSpectrometry”的美国临时专利申请62/781,048的优先权，其全部的公开内容通过引用并入本文。

关于联邦资助的声明

研究与开发

本发明是在美国能源部授予的合同号DE-AC05-00OR22725的政府支持下完成的。政府对本发明享有一定的权利。

发明领域

本发明一般涉及质谱分析法，更具体地涉及单个细胞质谱分析法。

发明背景

细胞间差异存在于任何细胞群中，直到最近，对细胞机制的理解依赖于对大量细胞群的测量。现在普遍认为总体均值可能不代表单个细胞功能，因此需要在基因组学、表观基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学中进行单个细胞分辨。单个细胞DNA和RNA测序的最新发展使我们具有以单个细胞分辨监测细胞谱系和细胞异质性的非凡能力。然而，即使是具有相同基因型的同基因细胞，也会表现出随机的细胞异质性。代谢物和其他组分浓度的非遗传细胞差异影响响应均匀致死药物暴露的细胞死亡易感性、动力学甚至死亡模式。在癌症治疗中，连续多轮细胞毒性化疗通常会杀死肿瘤中恒定比例而不是绝对数量的细胞，这表明存在预先存在抑制治疗的细胞异质性或细胞亚群对治疗的选择性反应。无论如何，非遗传细胞异质性对治疗和疗法的整体疗效有明显的影响。

以单个细胞分辨检测代谢物是一项重大的分析挑战。在一个细胞内，有数千种独特的化学物质以能迅速变化的低浓度存在。与单个细胞基因组学和转录组学不同，代谢物没有可用的扩增策略，因此需要高灵敏度。同样重要的是高单个细胞采样通量(throughput)，这是获得足够的单个细胞数据以统计区分细胞群或亚群之间的差异所必需的。流式细胞术是最常用的单个细胞测量技术之一，它使用基于荧光的分子探针(probe)以高达数千个细胞/秒级别的极高通量分析特定代谢物，但由于光谱特征(spectroscopicsignature)重叠，流式细胞术只能同时测量大约十二个分子。使用基于重金属同位素的分子探针的组合，质谱流式细胞术可以靶向至多48种不同的分子组分，但这仍然仅代表单个细胞中存在的一小部分代谢物。不幸的是，通过流式细胞术和质谱流式细胞术进行非靶向分子分析是不可行的，因为研究人员必须先了解并选择要研究的分子。

由于其高灵敏度、化学特异性和速度，质谱分析法(MS)是用于非靶向单个细胞分析的最适合的技术之一。已经开发了几种基于真空和探头的MS技术，以实现对单个细胞的全面、非靶向化学分析。基于真空的技术包括二次离子MS(SIMS)、基质辅助激光/解吸电离(MALDI)和激光/解吸电离(LDI)技术，这些技术虽然极其敏感，但需要在细胞自然状态之外对细胞进行重大修改，如固定和脱水，以方便在真空下进行分析。几种方法，包括活体单个细胞MS、单探头MS和其他方法，使用手动引导的探头(如移液管、光纤和毛细管)来原位测量细胞化学，有时通过环境MS在体内测量。然而，低采样通量限制了大多数这些方法的价值，因为每个细胞的测量可能需要一个小时或更长时间，并且需要重要的用户技能。一类环境MS技术使用激光脉冲来解剖单个细胞。这些技术对于组织中的细胞取样特别有用。然而，这些技术中很少能够从细胞悬液中测量细胞，并且通常具有低的采样通量和灵敏度。