成功脫“單”，一次看清百萬細(xì)胞
在生命科學(xué)領(lǐng)域，單細(xì)胞測序技術(shù)就像一把“精密手術(shù)刀”，讓科學(xué)家得以剖析每個(gè)細(xì)胞的分子特征，為深入理解生命的復(fù)雜性提供了獨(dú)特視角。然而，現(xiàn)有單細(xì)胞測序技術(shù)的局限性往往需要科學(xué)家作出取舍，要么漏掉某些細(xì)胞，要么抓不住細(xì)胞形態(tài)，導(dǎo)致在應(yīng)對一些復(fù)雜研究場景時(shí)如同“盲人摸象”，看不到細(xì)胞所處環(huán)境的全貌。
8月22日，華大生命科學(xué)研究院牽頭建設(shè)的基因組多維解析技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合多家機(jī)構(gòu)，在《科學(xué)》發(fā)布了細(xì)胞組學(xué)技術(shù)Stereo-cell。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多模態(tài)整合、原位動(dòng)態(tài)捕捉、極限樣本兼容、百萬級(jí)通量等技術(shù)突破，打破了傳統(tǒng)單細(xì)胞測序的技術(shù)局限。
據(jù)介紹，該成果將推動(dòng)單細(xì)胞測序擺脫通常只能獲取單一分子層面信息的“平面解析”模式，邁向兼顧多模態(tài)信息、具備“立體洞察”能力的脫“單”時(shí)代，為規(guī)?；_展細(xì)胞病理、發(fā)育與衰老、免疫與疾病、動(dòng)植物遺傳與進(jìn)化等前沿研究提供強(qiáng)有力的支撐。
一次性捕捉、識(shí)別百萬個(gè)細(xì)胞
目前，單細(xì)胞研究領(lǐng)域最主流的技術(shù)之一是基于液滴微流控的高通量單細(xì)胞測序技術(shù)。但這種傳統(tǒng)的單細(xì)胞測序技術(shù)存在諸多局限，例如細(xì)胞回收率低，無法直接觀測細(xì)胞形態(tài)與形狀，對大尺寸細(xì)胞解析困難、信息捕獲不全，實(shí)驗(yàn)批次間的細(xì)胞數(shù)據(jù)差異大等。
而研究人員提出的Stereo-cell技術(shù)基于高密度DNA納米球（DNB）陣列芯片，無需依賴特定設(shè)備進(jìn)行細(xì)胞分隔封裝，可直接對細(xì)胞進(jìn)行原位捕獲和轉(zhuǎn)錄組測序，實(shí)現(xiàn)了從百個(gè)到百萬個(gè)量級(jí)細(xì)胞的無偏捕獲，同步解析細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄、蛋白信號(hào)與形態(tài)學(xué)信息。
“該芯片由直徑僅為220納米的小球以500納米的間距密集排列組成，就像納米級(jí)別的‘捕手’，通過靜電吸附的方式捕獲細(xì)胞，解決了傳統(tǒng)方法因物理限制造成的細(xì)胞丟失或變形問題。”論文共同第一作者、華大生命科學(xué)研究院副研究員劉暢介紹。
結(jié)合顯微成像及空間定位，Stereo-cell能對捕獲的每一個(gè)細(xì)胞進(jìn)行“CT掃描”和“GPS定位”，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)識(shí)別，避免了因多個(gè)細(xì)胞重疊或背景雜亂導(dǎo)致的誤判。研究顯示，該技術(shù)生成的單細(xì)胞基因表達(dá)譜與傳統(tǒng)平臺(tái)獲得的數(shù)據(jù)高度一致，且細(xì)胞類型比例更契合真實(shí)情況。
科研人員利用Stereo-cell技術(shù)，在0.5×0.5厘米、6×6厘米的不同尺寸芯片規(guī)格上，實(shí)現(xiàn)了從百個(gè)到百萬個(gè)量級(jí)細(xì)胞投入的超寬通量范圍，且一次實(shí)驗(yàn)便能夠從大規(guī)模樣本中識(shí)別出稀有細(xì)胞亞群，即使占比僅0.05%的稀有細(xì)胞也能被精準(zhǔn)找到，實(shí)現(xiàn)了“大海撈針”。此外，Stereo-cell芯片尺寸最大可達(dá)13×13厘米，為未來更大細(xì)胞通量研究提供了可能。
“實(shí)時(shí)直播”細(xì)胞動(dòng)態(tài)變化
能否一次性獲得細(xì)胞的多維度信息，如細(xì)胞形態(tài)特征、分子類型和功能狀態(tài)，一直是單細(xì)胞研究中的技術(shù)難題。研究人員介紹，Stereo-cell整合了熒光染色和抗體標(biāo)記技術(shù)，能同時(shí)捕獲細(xì)胞形態(tài)、轉(zhuǎn)錄本和細(xì)胞表面蛋白，并識(shí)別細(xì)胞類型與功能，相當(dāng)于給細(xì)胞拍了一張“多模態(tài)立體照片”。
“過去做單細(xì)胞測序時(shí)，需要開展很多驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，例如免疫熒光染色或流式細(xì)胞術(shù)等。如今我們將這些技術(shù)進(jìn)行集成，一次實(shí)驗(yàn)就能捕獲百萬數(shù)量細(xì)胞，并且獲取形態(tài)、轉(zhuǎn)錄和蛋白特征，更深度地解析細(xì)胞的病理狀態(tài)?！闭撐墓餐谝蛔髡?、華大生命科學(xué)研究院研究員劉傳宇表示，Stereo-cell技術(shù)將顯著推動(dòng)單細(xì)胞組學(xué)邁向臨床細(xì)胞組學(xué)，有望在疾病機(jī)制研究和臨床轉(zhuǎn)化中發(fā)揮巨大潛力。
此外，Stereo-cell支持直接在芯片上培養(yǎng)細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)原位動(dòng)態(tài)測序，捕捉基因轉(zhuǎn)錄活性變化，并保留空間位置及時(shí)序變化信息。在芯片上培養(yǎng)成纖維細(xì)胞時(shí)，該技術(shù)不僅捕獲了細(xì)胞遷移和纖維化過程中的基因表達(dá)變化，還解析了細(xì)胞外囊泡的時(shí)空分布規(guī)律，以及真實(shí)物理接觸細(xì)胞間的互作信號(hào)。這為理解細(xì)胞間通信打開了全新視角，極大擴(kuò)展了單細(xì)胞測序研究的邊界，可應(yīng)用于大規(guī)模藥物篩選和小分子擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)等。
研究人員介紹，Stereo-cell還能夠解析傳統(tǒng)技術(shù)難以處理的“極限樣本”。例如，在骨骼肌纖維研究中，Stereo-cell能精準(zhǔn)區(qū)分不同功能區(qū)域的基因表達(dá)，揭示肌纖維的空間異質(zhì)性；在體積較大的卵細(xì)胞研究中，Stereo-cell可高通量原位捕獲719個(gè)卵母細(xì)胞，繪制它們在成熟過程中的基因表達(dá)變化、染色質(zhì)形態(tài)動(dòng)態(tài)和RNA亞細(xì)胞空間分布等。
助力突破生命科學(xué)底層理論
在8月21日舉辦的成果發(fā)布會(huì)上，基于Stereo-cell技術(shù)平臺(tái)，“百億細(xì)胞聯(lián)盟（10BC）”正式成立，旨在繪制細(xì)胞圖譜，構(gòu)建虛擬細(xì)胞，深度解碼生命底層規(guī)律，推動(dòng)生命科學(xué)實(shí)現(xiàn)從生物數(shù)據(jù)儲(chǔ)備到智能技術(shù)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)業(yè)革新。
“在生命科學(xué)領(lǐng)域，我們尚未形成物理、化學(xué)、材料等領(lǐng)域那樣的底層規(guī)律性總結(jié)，還處在描述性、觀察性的階段?！被蚪M多維解析技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、華大集團(tuán)首席研究員徐訊說，隨著人工智能（AI）技術(shù)的發(fā)展，通過整合有效的單細(xì)胞數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬細(xì)胞模型，實(shí)現(xiàn)生命科學(xué)底層理論的突破，逐漸成為科學(xué)界的共識(shí)。
今年3月，扎克伯格-陳計(jì)劃（CZI）宣布啟動(dòng)“十億細(xì)胞項(xiàng)目”,目標(biāo)是生成10億級(jí)單細(xì)胞數(shù)據(jù)，加速AI生物模型開發(fā)。但該數(shù)據(jù)集的技術(shù)基礎(chǔ)仍以上一代單細(xì)胞技術(shù)為主，缺乏形態(tài)與多組織信息。
徐訊介紹，Stereo-cell不僅是技術(shù)平臺(tái)，更是新一代生命數(shù)據(jù)引擎。而基于此平臺(tái)發(fā)起的百億細(xì)胞聯(lián)盟，將構(gòu)建生命圖譜、疾病圖譜和擾動(dòng)響應(yīng)圖譜的“三大細(xì)胞宇宙數(shù)據(jù)庫”。他表示：“歡迎全球科研團(tuán)隊(duì)共建共享，共同推動(dòng)細(xì)胞AI大模型與虛擬細(xì)胞系統(tǒng)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)到診療的系統(tǒng)性躍遷?！?/span>
“在當(dāng)前的生命科學(xué)發(fā)展階段，需要整合更多信息和數(shù)據(jù)。單細(xì)胞解析的數(shù)據(jù)如果能覆蓋大細(xì)胞及細(xì)胞間交互作用，甚至精細(xì)到亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)層面，整合這些百億、千億級(jí)別的細(xì)胞多維信息，并借助AI模型進(jìn)行系統(tǒng)性分析，將極大深化我們對疾病機(jī)制的理解，推動(dòng)重大領(lǐng)域的科學(xué)創(chuàng)新，尤其對復(fù)雜疾病和慢性病的防控具有深遠(yuǎn)意義?！鄙虾Ｈ鸾疳t(yī)院長三角健康研究院院長曹亞南表示。
