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南京大学江德臣教授团队成功开发了一种基于纳米毛细管电喷雾电离质谱（ESI-MS）技术，首次实现了对单个活体肿瘤球内部不同区域（外层/内层/下层）代谢异质性的原位空间分析，全面揭示了肿瘤球体内部的代谢异质性。

研究团队利用该技术结合显微操控精确定位纳米毛细管，实现了从单个活体肿瘤球体不同区域（外层/内层/下层）的原位细胞成分采样及代谢分析。在纳米毛细管穿透肿瘤球体过程中，球体外层形成的“伤口表面”仅占球体整个区域的0.1%，这一面积最大限度地维持了球体内细胞活性，为代谢分析提供了理想条件。研究发现，肿瘤球体外层细胞与二维培养细胞的代谢成分存在显著差异，表明球体培养中细胞间及其与微环境的相互作用更为频繁。这一成果不仅为单个活体肿瘤球代谢异质性的原位分析提供了有力工具，也为理解三维培养模型的代谢特性提供了分子依据。相关工作以“In Situ Spatial Analysis of Metabolic Heterogeneity in Single Living，Tumor Spheroids Using Nanocapillary-Based Electrospray Ionization Mass Spectroscopy”为题发表在国际著名期刊《Analytical Chemistry》上。

图1.纳米毛细管电喷雾电离质谱（ESI-MS）采样装置示意图及后续分析流程。右侧肿瘤球体图像显示外层与内层均呈现黑色素沉积区域。

该研究利用固定于显微操作系统上的纳米毛细管，在显微镜实时观察下，精准定位并插入活体肿瘤球的不同区域（外层、内层、贴近培养基底的下层）细胞成分；通过观察肿瘤球体内外层颜色差异（内层更深）引导插入深度，外层仅推进约5μm，内层则深入约200μm；插入前，毛细管已预装超纯水并连接可控负压装置，尖端到达目标区域（外层或内层）后，施加负压即可实现对肿瘤球体内部特定区域（需在区域内不同位置重复采样）细胞成分的微创提取。成功提取后，将毛细管尖端置于电喷雾离子源喷口约1厘米处，通过在金属丝处施加高电压来实现电喷雾过程，达到从活体肿瘤球内不同区域进行多种物质质谱分析的目的。

研究结果

图2. (a)利用纳米毛细管对单个活体肿瘤球体内局部采样进行明场成像，比例尺为100 μm。（b）和(c) 分别为肿瘤球体外层和内层的细胞成分质谱图。(d)肿瘤球体内层与外层代谢物的主成分分析结果。

图3.(a)肿瘤球体下层细胞成分的质谱图。(b)肿瘤球体下层与外层代谢物的主成分分析结果。

图4.(a)单个二维培养CT-26细胞的质谱图。(b)二维培养CT-26细胞与肿瘤球体外层细胞的代谢物主成分分析。

图5.(a)400μm尺寸肿瘤球体中代谢物的主成分分析结果，包含内层、下层和外层。(b)400μm尺寸肿瘤球体内层、下层及外层前25位差异代谢物的热图分析。

显微操作系统（简称微操）一种用来在显微镜下对细胞进行细微手术和注射的装置，该装置受机械或软件控制，通过人工手动或电动操纵，将玻璃毛细管尖儿端、电极或探针等安装在微操上，每次以µm或nm进行移动。利用甚小的工具做抓、切、挤压、注入、缩回等动作。