L'infezione da tubercolosi riprogramma le cellule: la metabolomica a singola cellula rivela come / Tuberculosis Infection Rewires Cells—Single-Cell Metabolomics Reveals How

 L'infezione da tubercolosi riprogramma le cellule: la metabolomica a singola cellula rivela come / Tuberculosis Infection Rewires Cells—Single-Cell Metabolomics Reveals How

 

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Una nuova tecnica a singola cellula ha rivelato cambiamenti biologici nelle cellule infette da tubercolosi che non erano stati rilevati dalle analisi convenzionali.

Utilizzando la cromatografia liquida-spettrometria di massa (LC-MS), i ricercatori hanno misurato i metaboliti di singole cellule infettate dal ceppo di tubercolosi (TB) utilizzato nei vaccini. L'analisi ha rivelato nuove informazioni su come l'infezione da TB riprogramma il metabolismo cellulare.

 

La tubercolosi, causata dall'infezione del batterio Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis), rimane la principale causa di morte per agente infettivo al mondo, con circa 1,5 milioni di decessi all'anno. Il M. tuberculosis trascorre gran parte del suo ciclo vitale all'interno dei macrofagi, le prime cellule a rispondere all'infezione. Tuttavia, non tutti i macrofagi sono infetti. Il nuovo approccio di metabolomica a singola cellula, pubblicato sulla rivista Analytical Chemistry, potrebbe contribuire a svelare perché alcuni macrofagi sono più vulnerabili all'infezione ed a scoprire nuove terapie contro la tubercolosi.

Trovare un metodo per analizzare le singole cellule

La metabolomica a singola cellula può rivelare le variazioni tra cellule distinte nel modo in cui rispondono a stimoli ambientali o terapeutici. Tuttavia, i metodi tradizionali che analizzano miscele di cellule in massa o le suddividono in gruppi rendono impossibile determinare come le cellule influenzano le cellule vicine. In questo studio, i ricercatori hanno utilizzato il campionamento capillare di cellule vive per studiare le cellule nel loro stato naturale. Ciò ha permesso loro di individuare differenze tra cellule infette da tubercolosi e cellule non infette, differenze che in precedenza erano impossibili da osservare.

Che cos'è la metabolomica a singola cellula?

La metabolomica a singola cellula prevede la mappatura e la quantificazione dei metaboliti prodotti dalle singole cellule, con l'obiettivo di ottenere informazioni sulla funzione cellulare in sistemi altamente eterogenei come i tessuti.

Lo studio ha confrontato due metodi per l'analisi metabolomica delle cellule selezionate, LC-MS e spettrometria di massa con ionizzazione nano-elettrospray (nano-ESI-MS), entrambi compatibili con il campionamento capillare. I due metodi sono stati confrontati in termini di sensibilità, precisione, linearità rispetto agli amminoacidi target e copertura delle caratteristiche metaboliche.

 

"A nostra conoscenza, questo è il primo confronto tra nano-ESI-MS e LC-MS per la metabolomica di singole cellule e fornisce un quadro pratico per la selezione del metodo di analisi", hanno affermato i ricercatori nell'articolo.

 

È emerso che la LC-MS offre una copertura metabolica più ampia e limiti di rilevamento superiori. La nano-ESI-MS, d'altro canto, richiede una manipolazione minima del campione e consente un'analisi circa 7,5 volte più rapida. Queste tecniche forniscono quindi "strategie complementari per il rilevamento di amminoacidi e metaboliti idrofili", hanno spiegato i ricercatori. La LC-MS offre una maggiore profondità di analisi, mentre la nano-ESI-MS rappresenta un approccio shotgun più economico per una profilazione rapida.

 

Quando i due approcci sono stati applicati all'analisi di macrofagi infetti da tubercolosi e macrofagi non infetti, l'approccio LC-MS ha fornito una distinzione più chiara tra cellule infette e cellule di controllo. L'approccio LC-MS ha anche rilevato un arricchimento di diversi composti nelle cellule infette, tra cui metionina, cisteina e taurina, suggerendo che il metabolismo dello zolfo viene riprogrammato durante l'infezione.

Applicazione della metabolomica a singola cellula basata su LC-MS oltre i batteri

L'approccio descritto nello studio ha permesso ai ricercatori di scoprire informazioni uniche su come la tubercolosi influenzi il metabolismo dei macrofagi. Tuttavia, l'approccio basato sulla LC-MS presenta alcune limitazioni. In particolare, le cellule devono essere trasferite manualmente dal capillare alla fiala, il che potrebbe comportare la perdita di analiti. Inoltre, la LC-MS tende ad avere una produttività inferiore a causa delle fasi di separazione cromatografica.

 

"Lo sviluppo di metodi mirati completamente validati ed adatti all'uso clinico o regolatorio, l'automazione del trasferimento delle cellule dalle punte alle fiale e l'utilizzo di flussi nanometrici per aumentare la sensibilità nel metodo LC-MS rappresentano ambiti di studio futuri in questo settore", hanno affermato i ricercatori.

 

La combinazione di LC-MS e la capacità di campionare spazialmente le cellule apre nuove prospettive per affrontare quesiti irrisolti in biologia. Questo approccio potrebbe spianare la strada a studi sulla comunicazione cellulare, indagando se le cellule infette inviano segnali di allarme alle cellule sane. Ciò potrebbe portare a nuove conoscenze sui meccanismi alla base dell'infezione e della resistenza antimicrobica, contribuendo in ultima analisi allo sviluppo di nuove terapie per la tubercolosi.

 

"Siamo entusiasti di questo nuovo approccio perché per la prima volta ci permette di correlare le caratteristiche visibili di una cellula alla sua chimica dettagliata", ha dichiarato in un comunicato stampa la Prof.ssa Melanie Bailey, docente al King's College di Londra e autrice senior dell'articolo . "Stiamo ora utilizzando questo approccio per aiutare i ricercatori a rispondere a molte altre domande biologiche fondamentali, dalla tubercolosi ad altre infezioni batteriche, virali e fungine, fino al cancro, e per approfondire la nostra comprensione di come le cellule comunicano tra loro".  

ENGLISH

A new single-cell technique revealed biological changes in TB-infected cells missed by conventional analysis.

Using liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS), researchers have measured the metabolites of individual cells infected with the strain of tuberculosis (TB) used in vaccines. The analysis revealed new insights into how TB infection reprograms cell metabolism.

 

TB, caused by infection with the bacterium Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis), remains the world's top infectious agent killer, taking an estimated 1.5 million lives a year. M. tuberculosis spends much of its life cycle living within the body’s first responders to infection, macrophages. However, not all macrophages are infected. The newly developed single-cell metabolomics approach, published in the journal Analytical Chemistry, could help reveal why some macrophages are more vulnerable to infection and uncover novel therapeutics against TB.

Finding a method to probe individual cells

Single-cell metabolomics can reveal variation between distinct cells in how they respond to environmental or therapeutic stimuli. However, traditional methods that analyze bulk cell mixtures or sort cells into groups make it impossible to determine how cells affect their neighbors. In this study, the researchers used live-cell capillary-based sampling to study cells in their natural state. This allowed the researchers to spot differences between TB-infected and non-infected cells that were previously impossible to see.

What is single-cell metabolomics?

Single-cell metabolomics involves the mapping and quantification of the metabolites produced by single cells, with the aim of uncovering insights into cellular function in highly heterogeneous systems such as tissue.

The study compared two methods for metabolomics analysis of the selected cells, LC-MS and nano-electrospray ionization-mass spectrometry (nano-ESI-MS), both of which are compatible with capillary-based sampling. The two methods were compared in terms of their sensitivity, precision, linearity to targeted amino acids, and their coverage of metabolite features.

 

“To our knowledge, this is the first comparison of nano-ESI-MS and LC-MS for single-cell metabolomics and provides a practical framework for the selection of analysis method,” the researchers said in the paper.

 

LC-MS was found to provide broader metabolite coverage and had superior detection limits. Nano-ESI-MS, on the other hand, required minimal sampling handling and achieved ∼7.5-fold faster analysis. These techniques therefore provide “complementary strategies for the detection of amino acids and hydrophilic metabolites,” the researchers explained. LC-MS offers greater depth of analysis, whereas nano-ESI-MS provides a more cost-effective shotgun approach for rapid profiling.

 

When the two approaches were applied to the analysis of TB-infected and non-infected macrophages, the LC-MS approach provided a clearer distinction between infected and control cells. The LC-MS approach also detected enrichment of several compounds in infected cells, including methionine, cysteine, and taurine, suggesting that sulfur metabolism is reprogrammed during infection.

Applying LC-MS-based single-cell metabolomics beyond bacteria

The approach outlined in the study allowed the researchers to uncover unique insights into how TB influences macrophage metabolism. However, the LC-MS-based approach isn’t without limitations. Notably, the cell must be manually transferred from the capillary to a vial, which could result in analyte loss. LC-MS also tends to have lower throughput due to chromatographic separation steps.

 

“Development of fully validated targeted methods suitable for clinical or regulatory use, automation of transferring cells from tips to vials, and using nano flow rates to boost sensitivity in the LC-MS method are scope for future studies in this area,” said the researchers.

 

The combination of LC-MS and the ability to spatially sample cells opens up new avenues for addressing unresolved questions in biology. The approach could pave the way for cell communication studies that investigate whether infected cells send warning signals to uninfected cells. This could lead to new insights into the mechanisms underlying infection and antimicrobial resistance, which could ultimately help guide the development of new treatments for TB.

 

“We are so excited by this new approach because for the first time it allows us to relate visible features of a cell to its detailed chemistry,” Prof. Melanie Bailey, professor at King’s College London and senior author of the paper, said in a press release. “We are now using this approach to help researchers answer many other key biological questions extending from tuberculosis to other bacterial, viral, and fungal infections, to cancer, and furthering our understanding of how cells communicate with each other.”  

Da:

https://www.technologynetworks.com/tn/news/tuberculosis-infection-rewires-cellssingle-cell-metabolomics-reveals-how-410862