單細胞蛋白組學是指通過質譜技術對單個細胞內的蛋白質組進行全面、精準的分析，以便揭示細胞在不同生理和病理狀態下的蛋白質表達情況。在生物體內，細胞的功能并非一成不變，而是受多種因素調控。即使是同一組織中的不同細胞，其蛋白質表達模式也可能大相徑庭，這種細胞間的異質性是許多生物學現象的根源。單細胞蛋白組學的最大優勢就在于能夠進行細胞類型特異性差異表達分析,揭示細胞間的異質性，從而在更精細的水平上研究細胞行為和功能，幫助我們更清晰地理解細胞在特定生理、病理或治療狀態下的動態變化。通過對單個細胞的蛋白質組成進行精準分析，研究人員不僅能夠深入探討細胞內各種信號通路、蛋白質相互作用及代謝途徑，還能在單細胞水平上揭示疾病的發生機制。例如，腫瘤細胞內外的蛋白質異質性可能會影響腫瘤的侵襲性、轉移性及對治療的反應，單細胞蛋白組學因此成為研究癌癥個性化治療的重要工具。作為生物質譜優質服務商，百泰派克生物科技致力于為科研人員提供專業的單細胞蛋白組學一站式服務，幫助客戶通過高效的質譜技術揭示單個細胞內的復雜蛋白質信息。
圖1
一、為什么要做單細胞研究？
1、單細胞研究能揭示腫瘤微環境中不同細胞亞群的作用機制，幫助深入理解癌癥發生、發展、轉移和免疫逃逸，提供潛在的創新治療靶點。
腫瘤由多種細胞類型組成,包括癌細胞、成纖維細胞、免疫細胞和內皮細胞,每種細胞類型又由多個不同的細胞群組成。它們之間的密切相互作用通常會誘導腫瘤微環境中的細胞轉化以支持腫瘤生長。成纖維細胞被重新訓練,為癌細胞的生長提供物理和生化支持,血管的生長提供營養和氧氣,而原本可以消滅癌細胞免疫細胞,卻經常被癌細胞轉化,以促進癌細胞的生長。因為細胞的高度異質性,想探究特異性細胞亞群對癌癥的發生發展、轉移、免疫逃逸起到的作用或者探究亞群的基因或蛋白找癌癥質量創新靶點的,都需要對單細胞進行研究。
圖2. Cancer Discov (2021) 11 (4): 933-959.
2、精準醫學計劃已邁入單細胞時代
圖3
3、對比傳統組學技術，單細胞組學技術優勢明顯
圖4
4、單細胞蛋白質組學能體現更豐富精準的細胞特征描述
圖5
二、單細胞蛋白組學流程-CellenOne
圖6
1、CellenOne技術原理
通過自動的機械臂移位，將吸取了細胞懸浮液的噴樣針置于高速攝像頭前方。噴樣針內置壓電裝置，可控擠壓并產生液滴。通過對噴樣針的噴射區拍照，含有一個細胞且細胞直徑、圓度、熒光強度符合設定的參數時，液滴落進孔板中，含多個細胞的液滴和不含細胞的空液滴則回收到高速攝像頭前方的回收管中，可用于再次分配。
2、優點
（1）分選溫和：采用壓電聲學分配技術，具有更低的剪切應力和損耗率，及更高的細胞存活率，適用于大部分細胞類型；
（2）光學監控：采用高級視覺處理技術，通過軟件集成的可視反饋自動判斷后續分選操作；
（3）高單胞率：確保僅單個細胞進入后續環節，實現真正的單細胞分離，單細胞分離率達98%；
（4）低損失率：含多個細胞的液滴將回收用于再次分配；
（5）全流程自動化：通過機械臂結合納升級試劑分配系統，實現從細胞懸液到單細胞制備體系全流程集成自動化，確保結果高重現性。
圖7
三、單細胞蛋白組分析示例
圖8
四、單細胞蛋白組相關文獻及應用場景
涉及的應用場景特點是有限的細胞異質性(如早期胚胎發育、干細胞分化等)：
表1
文獻應用案例一（細胞異質性）
標題：Deciphering lineage specification during early embryogenesis in mouse gastruloids using multilayered proteomics
利用多層蛋白質組學破譯小鼠原腸胚早期胚胎發育過程中的譜系特征
1、科學問題
胚胎發育中的胚層形成涉及復雜的基因調控程序，在早期哺乳動物發育中的蛋白質組學研究相對較少
2、樣本
利用由小鼠胚胎干細胞（mESCs）形成的類似胚狀結構，包括SOX17-RFP+（內胚層）、BRA-GFP+（中胚層）、MT1-BFP+（外胚層）細胞以及未分化的小鼠胚胎干細胞
3、組學
單細胞蛋白質組、蛋白質組、單細胞轉錄組、CHIP-seq
4、結果
（1）定量了共560個細胞，2259種蛋白質
（2）通過對BRA-GFP+細胞群體（363個細胞）的SCP分析，鑒定了三個不同的細胞亞群，這些亞群與神經中胚層前體（NMPs）、體節和前體中胚層（PSM）的細胞亞型相對應
圖9. Cell Stem Cell. S1934-5909(24)00144-9. 10 May. 2024
文獻應用案例二（耐藥軌跡）
圖10
文獻應用案例三（藥物響應機制）
標題：Single-Cell Chemical Proteomics (SCCP) Interrogates the Timing and Heterogeneity of Cancer Cell Commitment to Death
單細胞化學蛋白質組學（SCCP）研究癌癥細胞死亡的時間和異質性
1、科學問題
在細胞層面探索單個腺癌A549細胞對三種抗癌藥物（甲氨蝶呤MTX、喜樹堿CPT和托莫替TDX）的響應
2、樣本
不同時間點藥物處理的A549細胞各96個
3、組學
單細胞蛋白質組學
4、結果
（1）經MTX處理的單細胞在不同時間點的蛋白質表達變化，并確定了分別代表未來死亡和存活細胞亞群G1和G2（響應異質性）
（2）通過對比特定藥物處理與對照，在細胞層面識別藥物靶標及監測
圖11
圖12
圖13. Anal Chem. 2022;94(26):9261-9269.
文獻應用案例四（植物方向）
標題：Single-cell proteomics differentiates Arabidopsis rootcell types
單細胞蛋白質組學區分擬南芥根細胞類型
1、背景
單細胞蛋白質組學（SCP）是一種新興的方法來解決細胞異質性的復雜組織中的多細胞生物。在這里，我們用模式植物擬南芥來證明SCP在植物樣品上的可行性。
2、樣本
來自皮層和內胚層的分離單細胞，這是來自共同干細胞譜系的兩種相鄰的根細胞類型。
3、組學
單細胞蛋白質組學
4、結果
從756個根細胞中鑒定出3763個蛋白和1118個蛋白/細胞。經過嚴格過濾最終定量的3217個蛋白質。其中，鑒定出596種蛋白，其表達在皮層或內胚層中富集，并能夠區分這些密切相關的植物細胞類型。總的來說，本研究表明SCP可以解析具有不同功能的鄰近細胞類型，從而促進生物標志物和候選蛋白的鑒定。
圖14
圖15. New Phytol. 2024 Dec;244(5):1750-1759.
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