Lychix彩科生物 | 破譯中心法則：從單細胞單組學到多組學

中心法則的每一個環節，都吸引生物學家們不斷探索，遺傳信息的復制，轉錄，翻譯，調控，從基因組學到轉錄組學，再到蛋白組學和代謝組學，從組織器官到細胞群體再到單個細胞研究。作為生命活動的基本結構單元，單個細胞是研究中心法則的**模型。不同組織的細胞結構和功能迥異，同一組織的細胞雖然結構功能類似，通過單個細胞的組學研究，依然具有多樣的異質性。探索中心法則的組學技術發展，依賴于兩條技術路線，一條依賴于核酸捕獲擴增，反轉錄，蛋白檢測等分子生物學，免疫學技術的升級，另一條是細胞分隔，從手工操作低通量到自動化高通量并行技術的發展。

單細胞基因組學非常好的詮釋了分子生物學技術的不斷進步對單個細胞水平上研究細胞間基因組變異和功能理解的全面性。單細胞基因組的技術關鍵在于無偏差的對全基因組進行擴增（whole – genome amplification WGA），通過對引物的優化創新，和新的工具酶的挖掘，以及擴增條件的新策略，單細胞基因組的捕獲效率逐漸升高，包括1992年開始的依賴含有15個堿基的隨機引物的PEA技術，以及采用含有6個隨機引物的兼并序列引物的DOP-PCR，到2003年基于phi29DNA聚合酶的MDA方法，2012年Sunny Xie開發的MALBAC技術，后來基于Tn5轉座子的LIANTI技術，減少了非特異擴增和指數擴增，大大降低了擴增偏差，促進了腫瘤研究和臨床診斷，尤其是循環腫瘤細胞的分析，對胚胎發育的研究，神經元的理解都有重要作用。

從受精卵到一個生物個體的發育，即起源于一套遺傳物質，但卻能分化為形態各異，功能多樣的細胞類型，而每一種細胞類型通過遺傳物質的調控以及和環境的互作，最終形成了組織和器官等復雜結構和功能，這便是中心法則的魅力。中心法則是一個動態調控的連續過程，單一組學反應了某個時間點下細胞某一層面的信息，這一層面的信息對于細胞來說，要么是因，要么是果，而因果很難聯系。比如單細胞轉錄組學，發表的文章大多是組織器官，微環境等表達圖譜或者細胞聚類文章，我們知道了某個器官或者疾病類型表達圖譜，或者細胞類型，這是因，然后由于缺乏后續蛋白質等層面的功能分析，很難在實際研發生產中有所建樹。故大多數單一組學的數據都沉睡在不同影響因子的文章里，單細胞轉錄組學既沒有在臨床診斷中有所發現，也沒有在藥物靶點發現上廣泛應用，而只是體現在了文章的影響因子上，隨著文章越來越多，這一發文捷徑也昭然若揭，不再起效。

即獲得因，又拿到對應的果，則要求我們能夠同時獲得中心法則中各個層面的信息，即單細胞多組學的核心需求。而商家是最早嗅到這一商機的，10xGenomics和MissionBio都推出了基于Total-seq的蛋白聯合轉錄組或基因組的技術，10xGenomics 的 Single Cell Multiome ATAC + Gene expression也已經上市，BD同樣推出了結合單細胞測序的多組學平臺，同時，2022年6月，率先將光譜流式細胞術與可分選成像相結合推出新品BD FACSDiscoverTM S8 細胞分選儀。通過整合光譜流式細胞術與實時空間和形態學信息，將細胞分析和分選的能力擴展到新維度而廣受追捧。2021年于荷蘭創立的UFO Biosciences，篩選、識別、分離和分析單細胞的服務，以找到真正有意義的基因。UFO Biosciences 革命性功能性單細胞測序技術的基礎工作發表在 Nature Biomedical Engineering。功能性單細胞測序可以在單細胞水平上將細胞表型與其驅動基因型直接聯系起來。通過對大量細胞的實時行為顯微成像分析，我們可以識別出表現攻擊性行為的異常細胞。我們可以挑選并測序以了解驅動這些侵襲性細胞特定表型的分子途徑。細胞的攻擊行為是果，侵襲性細胞的驅動基因是因，因果聯系，再遇到同樣的果，就能從源頭通過改變因來達到效果。

單細胞分析的本質，就是將單個細胞獨立分隔，目前常用的兩類方案為微陣列和微孔。微孔陣列在基因測序和單分子蛋白檢測中都有應用，基因測序的主流方法是邊合成邊測序（Sequencing By Synthesis），在合成的過程中檢測堿基的信號，無論何種信號的檢測，都對微流控芯片提出了兩個要求，分別是物理分隔的反應位置和可連續進行反應（Sequential Reaction），微孔陣列不僅可以通過泊松分布實現微球和細胞配對，也可以通過液體交換對細胞進行染色等反應進行實時監測，但由于微孔只有物理分隔的作用，對于細胞的提取復雜繁瑣；而采用油包水的液滴方案，將液滴和微球等反應物包裹在液滴中同樣達成了物理上的分隔，而且可以使用流體或電場控制液滴通過控制液滴的移動來控制細胞的移動，這樣可以解決微孔陣列中無法操控細胞的問題，卻失去了連續反應的能力。由于水相反應物都被包裹在油中，如果需要增加反應物要在液滴的芯片上做液滴的融合，如果需要徹底改變反應物，則需要破乳后重新形成液滴，理論上雖然可以實現，但從產品化的角度，每一種不同的應用或細微的改變都需要重新設計液滴芯片并進行大量工程驗證優化等工作，難以實現單細胞多組學上多樣的應用需求。

液滴的方法中有一種基于介電潤濕的數字微流控技術，利用介電潤濕效應驅動液滴動作的原理在于通過對嵌在介電層下的微電極陣列施加電壓來改變介電層與附著于其表面導電液滴間的潤濕特性，使液-固接觸角發生變化，造成液滴兩端不對稱形變，促使液滴內部產生壓強差，從而實現對液滴變成或運動的操作與控制。注意，介電潤濕的技術在于移動液滴，通過移動包裹細胞的液滴來移動細胞。因此，同樣存在液滴捕獲細胞的問題，單細胞的捕獲一方面可以通過有限的對稱分裂實現，也可以搭載十字油包水的液滴擠出系統（液滴數字微流體ID2M）實現，前者步驟繁瑣，而后者依賴于泊松分布，捕獲效率低下，加之可變液滴的移動穩定性尚待研究，數字微流體在高通量單細胞分析上不占優勢。

最終，基于光電鑷的技術，通過可見光照射光敏材料誘導產生非均勻電場介電泳力， 推動Beads或細胞移動。這個方法可以結合上述方法中的優勢，通過對***以上的光敏像素點的數字化控制，可以實現直接對于細胞和Beads的高度并行操控，同時可以對細胞的環境進行換液加樣，進行連續的多種的反應，并通過成像方式實時監測細胞狀態和增殖情況。

目前，國內**擁有該技術的是彩科（蘇州）生物科技有限公司(以下簡稱:Lychix彩科生物)。