寻找每个细胞间的微小差异，单细胞技术为什么

作者：杨超月

　　世上没有两片完全相同的树叶，也没有两个完全相同的细胞。

　　细胞是人体功能的最基本单位。人类从一颗受精卵开始，逐渐演变成一个约120万亿个细胞的成人，这些细胞共享着同一套遗传信息，却在表达过程中产生了个体差异。正是这些或多或少的差异，影响着生物体的功能乃至健康。

　　科学家由此产生了一个疯狂的想法：想真正了解人体，也许可以从了解每一个细胞的差异开始。于是，以基因测序为切入点，人类拉开了单细胞研究的大幕。

　　目前，单细胞研究主要是为RNA测序，由于RNA（转录组）能决定基因表达情况而最终导致细胞差异，因此有着更为广阔的应用场景，包括研究肿瘤异质性，免疫细胞多样性，疾病发生机理，以及寻找新药物靶点等。

　　这项技术目前还主要服务于科研而非临床，但2015年后，相关论文集中在国际顶级学术期刊发表；10x Genomics 和BD Rhapsody等国际知名企业陆续成立。这一切事实都宣告单细胞测序已经初步克服了单细胞捕获通量受限这一核心瓶颈，完成了商业化落地。

　　未来，单细胞研究将朝临床方向迈进。多组学和空间位置信息等多层次信息证据整合的趋势已经成为共识。

　　虽然从国内情况来看，单细胞测序技术开发起步较晚，大部分公司还处于产品开发和早期市场验证阶段。但可以肯定的是，对于这项2009年才诞生的年轻技术，无论学界、企业界还是资本方都保持着充足的耐心与期待。

　　从更高分辨率解码生命

　　贝瑞基因单细胞业务科技服务部技术支持总监李哲对单细胞测序有着一个形象比喻：“组织测序像是一口吃掉一串葡萄，当中有酸有甜，但我们无从分辨，只能品尝到一个整体的、综合的口味，而单细胞则是一颗一颗品尝。”

　　在生物体上，如此聚焦在单细胞的基因测序可以帮我们找到每一颗“酸葡萄”，相当于从更高的分辨率解码生命。而这一想法最早被学界广泛关注是在2013年。

　　在整个基因测序领域，2013年都是一个重要的转折点。这一年，科学家们对早在十年前就宣布完成的人类基因组计划进行了打补丁和总结，发布了参考基因组序列GRCh38，被认为是当时的标准人类参考基因组。

　　科学家总是“贪婪的”，拿到基因图谱后，便顺理成章地开始了对基因表达进行分析，去界定已经解析的基因在人的所有细胞中将如何表达和变化。于是这一年，单细胞测序荣膺《自然-方法》的年度技术。

　　单细胞测序是相对于组织测序产生的概念。简单而言，就是通过NGS 技术检查来自单个细胞的序列信息来发现细胞差异，并更好地了解单细胞的功能。

　　这一畅想在2003年宣布人类基因组草图初步绘制完成时还是天方夜谭，因为单细胞测序技术2009年才横空出世，迈出这一步的是北京大学教授汤富酬。他在英国剑桥大学Gurdon研究所做博士后研究期间，发表了全球首个单细胞mRNA 建库测序方案，实现了单细胞水平的全基因表达测序。

　　这一研究成果在单细胞领域内树起了第一座里程碑，但缺点是细胞分离、捕获的成本十分高昂，由此带来的问题是只能检测少量细胞的单细胞基因表达、通量很低。因此该方案只能用于神经细胞、生殖细胞等稀有细胞的研究。

　　在流程方面，单细胞测序需要先将组织或体液中的细胞群分离成单个细胞，再对提取基因进行一定倍数扩增，使之达到现有测序深度的可及水平再展开测序，最终获取细胞异质性等关键信息。

　　事实上，比起测序本身，测序前处理才是单细胞测序的核心壁垒。人体细胞的平均直径只有10-20微米，如何从组织中解离和捕获这么小的细胞并形成规模效应，是从组织测序通往单细胞测序路上最大的拦路虎。

　　李哲解释：“早期我们需要用口吸管，在显微镜下把它吸出来，或者是激光显微切割技术，把细胞一个个地从组织上切下来，然后放到一个独立体系中做扩增、建库、测序。” 显然，李哲口中的这些方式需要极大的人力和金钱成本，而这一糟糕的情况在2015年才有了转机。

　　打破“低通量”桎梏

　　高通量的大门终于要被叩开了。

　　2015年，Steven A. McCarroll 等研究者在《细胞》上发表了基于微滴包裹单细胞和捕获磁珠技术的Drop-Seq方案，之后不久，Stephen P. A. Fodor等研究者也在《科学》上发表了基于微孔板分散、分隔单细胞及捕获磁珠技术的 Cyto-Seq 方案，同年问世的两种方案成为了开启高通量大门的钥匙。