數年磨一劍！BD Rhapsody單細胞分析系統助推精準醫學的發展

為推動單細胞研究的進展，測序巨頭相繼推出新一代測序儀，其中BD Rhapsody單細胞分析系統便是其中的一個佼佼者，此系統的誕生基於 BD 在細胞生物學領域 40年的專業技術，克服了傳統檢測的局限性，能夠對成千上萬個單細胞的數百個表達基因同時進行數字定量，每個細胞提取獨立數據，體現異質性，可以鑒定和表徵新型和罕見細胞類型，有助於理解從免疫學到腫瘤學等多個領域內的生物學過程。

其實在2016年初，單細胞測序就受到異乎尋常的關注，先後有多家生物技術公司將觸手伸到在這一技術領域。單細胞測序受到如此大的關注，和近年來單細胞測序領域的巨大科研進展密不可分。 早在2011年，Nature Methods 將單細胞測序列為年度值得期待的技術之一，2013年，Science將單細胞測序列為年度最值得關注的六大領域榜首。與此同時，越來越多與單細胞測序有關的研究也發表在頂級期刊上，科學家們在單細胞分析上也不斷取得新的重要進展。

北京大學完成對單個卵細胞的高精度全基因組測序

2013年Cell雜誌報道了來自北京大學的喬傑、湯富酬和謝曉亮等人關於單個卵細胞的高精度全基因組測序的工作結果。人類的遺傳信息存在於每個細胞的DNA中，DNA是由四種不同的核苷酸組成的長鏈。這些核苷酸的組合和序列組成了遺傳的基本功能單位——基因。無論在基礎研究還是臨床應用上，對細胞中所有基因序列（全基因組）的測定都是極其重要的。但是，由於單個細胞中僅含有每個基因的兩個拷貝，因此對單個細胞進行全基因測序是非常困難的。北大團隊巧妙地利用了卵細胞成熟、受精過程出現的獨特的結構——極體，通過對極體的全基因組測序推斷出在受精卵中母源基因組的情況，從而選擇出一個正常的胚胎進行移植。隨後，該技術被應用到多項研究工作中去。體外受精技術（IVF）是輔助生命個體在體外從單個細胞開始發育的技術，因此，單個卵細胞的全基因組測序是輔助生殖領域的研究人員夢寐以求的研究課題，而北大團隊的這項工作實現了該領域的一項重大飛躍。

在單細胞水平上追蹤造血幹細胞的形成

2016年nature雜誌發表了來自中國軍事醫學科學院附屬醫院（解放軍307醫院）劉兵課題組的重要研究進展，該研究團隊通過篩選獲得了pre-HSC的特異性表面標誌物，藉助於單細胞誘導體系，首次實現了pre-HSC單細胞的精準捕獲。HSC移植是治療血液系統惡性疾病最有效的途徑之一，但骨髓移植對配型的要求以及供體的不足使其在臨床應用中受到很大的限制。科學家們一直試圖繞過這些限制，如在體外培養HSC使其增殖，但都沒能獲得成功，其中最重要的原因是由於目前人們對HSC發育過程中的調控機制知之甚少。HSC來源於血管內皮細胞，經過中間狀態即造血幹細胞前體（pre-HSC）後，最終發育為移植有效的HSC。pre-HSC在胚胎細胞中所佔的比例極小，15萬胚胎細胞中只有10到20個，而且缺乏特異性的表面標誌物將pre-HSC 與其他細胞區分開來，所以一直以來，分離pre-HSC以及後續的一系列研究都非常困難。而這篇文章為闡明HSC在體內形成過程中各個階段的調控機制，以便能在體外模仿HSC的發育鋪平了道路。

單細胞測序助力首個小腸立體百科全書的誕生

2017年nature雜誌發表了博德研究所（Broad Institute）研究團隊繪製的首個小腸細胞圖譜！該研究由國際人類細胞圖譜計劃組委會聯合主席、MIT生物學教授Aviv Regev博士，和馬薩諸塞州綜合醫院消化科主任、臨床胃腸病學家Ramnik Xavier博士領導。基於單細胞RNA測序（scRNA-seq），測定了共計53193個來自小鼠腸道和類腸器官細胞的表達圖譜，帶來了許多與以往認知不同的新發現，繪製出第一本立體的「小腸百科全書」。該圖譜不僅確定了小腸所有已知細胞、特定細胞亞群和罕見細胞的基因表達特徵，顛覆了我們對腸內激素分泌的傳統認知，重新定義了腸內分泌細胞的分類，發現了兩種新的簇細胞（Tuft Cell）亞型分別與免疫和神經發育有關，還描述了小腸細胞對寄生蟲和微生物感染的感染模型，將為腸道疾病研究提供理論模型。

單細胞水平描繪肝癌微環境中的免疫圖譜

無獨有偶，同年cell雜誌發表了北京大學生命科學學院BIOPIC中心、北京未來基因診斷高精尖創新中心、北大-清華生命科學聯合中心張澤民研究組，首都醫科大學附屬北京世紀壇醫院暨北京大學第九臨床醫學院肝膽胰外科彭吉潤研究組，以及美國AMGEN公司的歐陽文軍研究組的重大研究進展——首次在單細胞水平上描繪了肝癌微環境中的免疫圖譜。該項工作是國際上首次大規模針對腫瘤相關T細胞的單細胞組學研究，提供了極有價值的數據資源，為多角度理解肝癌相關的T細胞特徵奠定了基礎。該項工作的數據積累、科學發現和理論推演有望促進已有的免疫治療方案在肝癌中的臨床應用，並有助於發現有效的針對肝癌治療免疫治療靶點，進而加速創立新的肝癌免疫療法。同時，該項工作也為腫瘤免疫的圖譜勾畫作出了範式，為今後對其他腫瘤開展類似的研究及各類腫瘤免疫的發展提供了基礎。

單細胞測序技術幫助分析乳腺癌的腫瘤侵襲模式

今年伊始，cell雜誌發表了德州大學MD安德森癌症中心開發的一種新型單細胞測序技術成果。研究人員在對單細胞的基因組進行測序的同時保留了這個細胞在組織中的空間信息。運用這項技術，研究人員對10名同時攜帶導管原位癌DCIS 和浸潤性導管癌 IDC的乳腺癌患者體內的1293個細胞進行了單細胞測序。研究結果能夠直接勾畫出從DCIS演變到IDC 的基因組譜系，而且研究表明DCIS細胞位於導管中時就積累了大部分的基因突變和拷貝數目變異。這項研究表明DCIS在導管中會進化出多個具有侵襲能力的腫瘤克隆，然後一個或多個克隆會脫離導管並轉移到附近的組織中，形成浸潤性導管癌。

諸如此類刊登在頂級醫學雜誌的研究還有很多，但是成果的獲得離不開技術的支持。BD這次重磅推出的Rhapsody單細胞分析系統克服了傳統檢測的局限性，如微陣列和大量細胞 RNAseq，傳統檢測依賴於對多個細胞的平均檢測，來實現對細胞間微妙差異的觀察。與其他單細胞分析系統相比，BD Rhapsody最突出的特點及優勢在於：

?克服 PCR 偏差 — BD分子標籤：當對序列讀取進行計數時，PCR 擴增偏差可導致基因定量不準確。Rhapsody採用「分子標籤」技術，能為單細胞中每個轉錄本標記特異性分子標籤，實現了單細胞水平上基因表達譜的絕對定量，同時，每個細胞也會被標記特異性細胞標籤，這使高通量平行建庫成為可能。實驗者可藉此克服擴增偏差，更準確地計算轉錄水平。

?單細胞成像系統：對單細胞分離過程進行質控，監控細胞存活率、單細胞分離效率，有效保證實驗成功率。該功能的實現主要依靠BD Rhapsody單細胞分析系統中的BD Rhapsody掃描儀組件。BD Rhapsody掃描儀可提供自動化細胞計數和細胞樣本活性測試，幫助用戶製備適用於卡式晶元單細胞捕獲的最佳濃度的樣本。

?更高的採樣靈敏度：靶向分析方法有助於提高單細胞測序效率，Rhapsody系統提供的檢測試劑盒（panel）可穩定的重現細胞異質性的數據，可用於探索與眾多應用相關的細胞類型。且與全轉錄組擴增的mRNA分析相比，Rhapsody系統對罕見轉錄有更低的檢測閾值。

?更高的轉錄本檢測特異性：系統通過特有的數據分析流程，去除PCR錯誤擴增產物，降低細胞非特異性表達水平。

?更高的解析度：可以分辨更細分、微觀的細胞群和細胞亞種群。

?更經濟的測序和設備預算：結合Rhapsody特有的單細胞分離技術，單次實驗可製備100-10000個單細胞文庫，用戶可根據需求定製引物，將檢測範圍集中在目標基因，大幅降低後續測序成本。

隨著人們逐漸意識到單細胞研究對認識人自身以及疾病的重要性，單細胞測序技術的誕生恰逢其時。目前單細胞測序已經廣泛用於微生物學、神經學、人體發育、免疫、癌症、輔助生殖等領域的研究。其中癌症與輔助生殖研究已經用於臨床。在癌症診治的臨床應用中，利用單細胞測序分析癌組織遺傳物質的變化可以更加準確的診斷癌症發生的原因，為治療提供更加精準的靶點信息。同時，利用單細胞測序技術分析血液中罕見的CTC遺傳信息的變化，可以有效監測腫瘤的變化。相信此次BD Rhapsody單細胞分析系統的閃亮登場，能夠為目前高速發展中的精準醫學帶來濃墨重彩的一筆。

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