Orbitrap Exploris 240“力挑”单细胞脂质分析难题——揭秘辐射对癌细胞的隐藏影响

刘甜

传统脂质组学分析大量细胞的平均信号，会掩盖单细胞间的异质性，无法捕捉 “旁观者细胞” 的特殊代谢变化；质谱成像技术虽能实现单细胞定位，却需固定细胞，破坏脂质原生状态，且难以区分同分异构体脂质分子。更核心的难题在于，单细胞样本体积仅几pL、脂质含量达pg级，低丰度脂质检测难、样本易氧化降解，导致跨实验室验证无法实现，严重制约了技术标准化与推广。

Anal. Chem. 2025年发表的文章，首次攻克了这一困境 —— 国际团队建立 “活细胞取样 - 冻干运输 - 异地分析” 的全新测试流程（图1），而Nano LC-Orbitrap Exploris 240（OE240）平台正是此次突破的核心装备。它凭借超高灵敏度、极性切换等关键技术，成功解决了单细胞脂质分析的多重痛点，为揭示辐射对癌细胞及旁观者细胞的脂质调控机制提供了可靠支撑。

图1 活细胞处置分离、冻干运输与异地分析流程

OE240 优势一：超高灵敏度，“捕捉” 单细胞中 pg 级低丰度脂质

单细胞脂质分析最直观的挑战是 “样本量极少”—— 单个 PANC-1 胰腺癌细胞的脂质总量仅 pg 级，传统质谱常因灵敏度不足，容易遗漏与辐射应激、耐药性相关的低丰度脂质，导致研究结论片面。

OE240 通过硬件设计的优化实现了灵敏度突破：其搭载的高分辨 Orbitrap 质量分析器，MS¹ 分辨率达 60,000、MS² 分辨率达 15,000，结合Nan LC 系统，可减少样品稀释，降低背景干扰，显著放大低丰度脂质信号（表1为Nano LC-OE240测试方法参数）。

表1. OE240仪器参数设置

研究数据充分验证了其灵敏度优势：OE240 共检测到 211 种高置信度脂质（经过人工确认），覆盖磷脂（PC、PE）、甘油三酯（TG）、鞘脂（SM）等 11 类脂质（图 2），其中 173 种在 12 个单细胞中稳定检出，缺失值极低，（图3）数据完整性远超采用分析流 LC-MS 的验证组（Q Exactive Plus 仅检出 103 种）。更关键的是，OE240 成功捕捉到含二十二碳六烯酸（DHA）的低丰度 PC 脂质（如 PC (38:6)），这类脂质在细胞中占比不足 0.5 mol%，却与癌细胞辐射抗性密切相关，传统质谱因灵敏度限制难以准确定量，而 OE240 的检测结果为揭示辐射应激下的脂质调控机制提供了关键数据（图4）。

图2. PANC-1单细胞样本中各类脂质的%mol分布

图3. 12个PANC-1单细胞样本中脂质鉴定重现性

图4. 未照射对照组（n=12）与直接照射组（n=12）细胞中，含FA（20:4）和FA（22:6）的特定PC的摩尔百分比。通过Mann−Whitney U检验确定统计显著性：*p<0.05。

OE240 优势二：极性切换 “一键双收”，提升脂质覆盖度与鉴定置信度

单细胞样本的稀缺性决定了其无法像常规样本那样分两次进样（分别采用正负离子模式），传统单极性检测常遗漏难电离脂质，且难以区分同分异构体，导致脂质鉴定置信度不足。

OE240 的极性切换技术完美解决了这一问题：单次进样中每10次扫描自动切换正负离子模式，无需手动干预，既避免了样本浪费，又能同步获取两种电离模式的脂质信号，为脂质鉴定提供正交数据支撑。

这在研究中展现出双重价值：一方面显著提升脂质覆盖度 ——OE240 检测到的 211 种脂质中，24% 的脂质依赖负模式检出（图5），包括磷脂酰丝氨酸（PS）、部分磷脂酰肌醇（PI）等难正电离的脂质类别，若仅采用正模式检测，这些脂质将完全 “隐身”，无法完整呈现细胞脂质组图景；另一方面大幅提高鉴定置信度，以PC (18:0_20:4) 为例，正模式可测得其分子离子峰确认元素组成，负模式能通过碎片离子确认FA 20:4 脂肪酸链的存在，两者结合有效避免了同分异构体误判，让脂质鉴定从 “推测” 变为 “确证”。

图5. PANC-1单细胞中正/负离子模式下获得的独特脂质鉴定结果的分布

图6. 在OE240上采用正负切换采集模式从单个细胞中测得的 PC-O (34:2) 的二级质谱图。PC-O (36:2) 通过磷脂酰胆碱（PC）头部基团在正模式下的碎片离子的检测来确定；负模式可确定 18:1 的脂肪酸链，从而可推断出 16:1 的脂肪酸链的存在。

OE240 优势三：Orbitrap测试稳定，支撑跨实验室数据一致性

单细胞脂质易受氧化、复溶波动影响，而跨实验室运输会进一步放大这些干扰，传统质谱对这类波动敏感，常出现 “同一样本不同实验室结果不一致” 的问题，阻碍技术标准化。

Orbitrap凭借出色的抗干扰能力，打破了这一限制。研究中，样本经冻干、氮气保护、室温跨国运输（英国→美国加州）后，OE240 对添加的 EquiSPLASH 内标（覆盖 11 类脂质）的检测相对标准偏差（RSD）仅为 24%，虽高于未运输样本的 13%，但无系统性偏差，说明运输带来的微小波动未影响数据可靠性。

更重要的是，OE240 检测结果与 Q Exactive Plus 检测结果的差异脂质重叠率达 73%（图7B）。核心结论 “受辐射组单细胞中PC (36:4) 丰度显著下降” 在两地实验室均能复现（图7C），充分证明Orbitrap的检测结果具有良好的稳定性与可重复性。这一优势打破了 “质谱检测需现场处理样本” 的限制，为单细胞脂质组学的跨实验室协作、技术标准化奠定了基础。

图7. 异地实验室的OE240（橙色）与Q Exactive Plus（蓝色）单细胞脂质测试结果展现了良好的重线性

OE240 优势四：数据与功能联动，为生物学机制确认提供有力证明

脂质组学研究的目标是揭示 “脂质变化与细胞功能” 的关联，传统质谱常仅输出脂质列表，难以与细胞生理状态联动，导致机制解析缺乏完整证据链。

OE240 的检测数据则实现了与细胞功能的深度联动：其一，OE240 检测到 “辐射组中旁观者细胞中多不饱和磷脂（PUFA-PL）显著减少”，这一结果与活细胞成像观察到的 “脂质滴数量与大小显著增加” 完全匹配。已知多不饱和磷脂水解是脂质滴形成的关键步骤，两者结合证实 “辐射诱导脂质代谢重塑” 并非偶然，而是细胞应对应激的主动调控；其二，基于 OE240 的脂质组数据构建的支持向量机（SVM）模型，能以 96% 准确率区分辐射细胞与对照细胞（AUC=0.94），且 12 个旁观者细胞中 11 个被归类为 “辐射组”，直接为 “辐射诱导旁观者效应” 提供了脂质组学证据。

这种 “脂质分子变化 - 细胞形态功能 - 生物学效应” 的完整联动，让研究结论更具说服力，也彰显了 OE240 在机制解析中的核心价值。

结 语

OE240 凭借超高灵敏度、极性切换、稳定性、数据与功能联动四大核心优势，成功将 “单细胞样本跨实验室分析” 从设想变为现实。此次研究不仅首次在单细胞水平揭示了辐射对胰腺癌细胞及旁观者细胞的脂质调控机制，为癌症放疗优化提供了新视角，更验证了 OE240 在单细胞脂质组学研究中的可靠性与实用性。

未来，随着技术的进一步优化，OE240 有望在更多领域发挥作用：临床层面可用于肿瘤患者单细胞脂质分析，区分放疗敏感与耐药细胞亚群；基础研究中可助力感染性疾病、代谢病的单细胞脂质机制解析。作为打开 “单细胞脂质世界” 的关键工具，OE240 将持续推动单细胞脂质组学的标准化与产业化，为精准医疗、药物研发提供更精准的分子依据。