癌症，作为全球性的健康挑战，其复杂性在于肿瘤细胞的异质性及其与周围微环境的复杂互动。传统的代谢组学研究往往只能提供细胞代谢的“静态快照”，难以捕捉到生物通路中动态的代谢活性变化，这在很大程度上限制了我们对肿瘤发生发展机制的深入理解，也阻碍了更精准靶向药和抗癌药的开发。
前沿突破：动态单细胞代谢组学系统
2025年5月16日，北京大学化学与分子工程学院白玉教授团队在国际权威期刊《Nature Communications》上发表了一项开创性研究。他们成功开发出一种通用的动态单细胞代谢组学系统，通过在单细胞水平上进行稳定同位素示踪，首次实现了对细胞代谢活动的动态监测与分析。
该系统集成了高通量单细胞数据采集平台与非靶向同位素示踪数据处理平台，提供了一体化的工作流程。它不仅能对交错的代谢网络进行全局活性谱和流动分析，还能揭示单个细胞之间异质性代谢活动的细微差异。例如，在2-脱氧葡萄糖（2-DG）抑制模型中，该系统清晰地展现了传统浓度分析无法捕捉的细胞内微妙代谢变化，凸显了活性谱分析的重要性。
深度解析肿瘤微环境：细胞间互作与巨噬细胞亚型
这项研究最引人注目的成果之一，是该系统与神经网络模型相结合，首次实现了对直接共培养的肿瘤细胞和巨噬细胞进行代谢组学分析。这使得研究人员能够深入揭示肿瘤微环境中复杂的细胞–细胞相互作用机制。
更重要的是，研究团队首次根据代谢特征识别出肿瘤相关巨噬细胞（TAM）的多种极化亚型。这一发现与单细胞RNA测序更新的巨噬细胞多样性图谱高度一致，为理解肿瘤微环境的复杂性提供了全新的代谢视角。这些不同亚型的巨噬细胞在肿瘤进展中扮演着不同角色，对其代谢特征的深入理解，将为开发针对性的靶向药提供关键信息。
为何动态代谢组学至关重要？
代谢失调是导致细胞功能障碍并在疾病（包括癌症）发病机制和进展中起关键作用的常见原因。然而，仅仅测量代谢物浓度，就像是拍了一张“快照”，它代表的是多种代谢反应的最终结果，并不能直接反映代谢通路的活跃程度。高代谢物浓度不一定意味着高反应通量，有时可能是因为消耗减少而积累。
因此，分析代谢活性比单纯的代谢浓度信息更为重要。它能帮助我们确定代谢途径的动力学，并描绘相互关联的代谢网络。稳定同位素示踪代谢组学正是实现这一目标的重要工具，通过追踪标记代谢物在细胞内的转化，揭示代谢物和通路的真实活性。这项动态单细胞代谢组学系统，正是将这一强大工具提升到了前所未有的单细胞精度，为精准医疗和抗癌药研发奠定了坚实基础。
图1：动态单细胞代谢组学系统的工作流程示意图（摘自Nature Communications）
未来展望与精准医疗
这项动态单细胞代谢组学系统的开发，为从静态和动态角度全面理解单细胞代谢组学提供了强大工具。它能够确定代谢活动并勾画交联代谢网络，从而为进一步探索细胞异质性和细胞间通讯提供更深入的单细胞代谢组学分析。
这项研究的突破性进展，将极大地推动我们对癌症复杂性的理解，为开发更有效、更精准的靶向药和抗癌药指明了新的方向。未来，基于对肿瘤细胞和微环境代谢特征的深入洞察，有望实现真正的精准医疗，为每位患者量身定制最佳治疗方案。
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