Lychix彩科生物 | 破译中心法则：从单细胞单组学到多组学

中心法则的每一个环节，都吸引生物学家们不断探索，遗传信息的复制，转录，翻译，调控，从基因组学到转录组学，再到蛋白组学和代谢组学，从组织器官到细胞群体再到单个细胞研究。作为生命活动的基本结构单元，单个细胞是研究中心法则的**模型。不同组织的细胞结构和功能迥异，同一组织的细胞虽然结构功能类似，通过单个细胞的组学研究，依然具有多样的异质性。探索中心法则的组学技术发展，依赖于两条技术路线，一条依赖于核酸捕获扩增，反转录，蛋白检测等分子生物学，免疫学技术的升级，另一条是细胞分隔，从手工操作低通量到自动化高通量并行技术的发展。

单细胞基因组学非常好的诠释了分子生物学技术的不断进步对单个细胞水平上研究细胞间基因组变异和功能理解的全面性。单细胞基因组的技术关键在于无偏差的对全基因组进行扩增（whole – genome amplification WGA），通过对引物的优化创新，和新的工具酶的挖掘，以及扩增条件的新策略，单细胞基因组的捕获效率逐渐升高，包括1992年开始的依赖含有15个碱基的随机引物的PEA技术，以及采用含有6个随机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开发的MALBAC技术，后来基于Tn5转座子的LIANTI技术，减少了非特异扩增和指数扩增，大大降低了扩增偏差，促进了肿瘤研究和临床诊断，尤其是循环肿瘤细胞的分析，对胚胎发育的研究，神经元的理解都有重要作用。

从受精卵到一个生物个体的发育，即起源于一套遗传物质，但却能分化为形态各异，功能多样的细胞类型，而每一种细胞类型通过遗传物质的调控以及和环境的互作，最终形成了组织和器官等复杂结构和功能，这便是中心法则的魅力。中心法则是一个动态调控的连续过程，单一组学反应了某个时间点下细胞某一层面的信息，这一层面的信息对于细胞来说，要么是因，要么是果，而因果很难联系。比如单细胞转录组学，发表的文章大多是组织器官，微环境等表达图谱或者细胞聚类文章，我们知道了某个器官或者疾病类型表达图谱，或者细胞类型，这是因，然后由于缺乏后续蛋白质等层面的功能分析，很难在实际研发生产中有所建树。故大多数单一组学的数据都沉睡在不同影响因子的文章里，单细胞转录组学既没有在临床诊断中有所发现，也没有在药物靶点发现上广泛应用，而只是体现在了文章的影响因子上，随着文章越来越多，这一发文捷径也昭然若揭，不再起效。

即获得因，又拿到对应的果，则要求我们能够同时获得中心法则中各个层面的信息，即单细胞多组学的核心需求。而商家是最早嗅到这一商机的，10xGenomics和MissionBio都推出了基于Total-seq的蛋白联合转录组或基因组的技术，10xGenomics 的 Single Cell Multiome ATAC + Gene expression也已经上市，BD同样推出了结合单细胞测序的多组学平台，同时，2022年6月，率先将光谱流式细胞术与可分选成像相结合推出新品BD FACSDiscoverTM S8 细胞分选仪。通过整合光谱流式细胞术与实时空间和形态学信息，将细胞分析和分选的能力扩展到新维度而广受追捧。2021年于荷兰创立的UFO Biosciences，筛选、识别、分离和分析单细胞的服务，以找到真正有意义的基因。UFO Biosciences 革命性功能性单细胞测序技术的基础工作发表在 Nature Biomedical Engineering。功能性单细胞测序可以在单细胞水平上将细胞表型与其驱动基因型直接联系起来。通过对大量细胞的实时行为显微成像分析，我们可以识别出表现攻击性行为的异常细胞。我们可以挑选并测序以了解驱动这些侵袭性细胞特定表型的分子途径。细胞的攻击行为是果，侵袭性细胞的驱动基因是因，因果联系，再遇到同样的果，就能从源头通过改变因来达到效果。

单细胞分析的本质，就是将单个细胞独立分隔，目前常用的两类方案为微阵列和微孔。微孔阵列在基因测序和单分子蛋白检测中都有应用，基因测序的主流方法是边合成边测序（Sequencing By Synthesis），在合成的过程中检测碱基的信号，无论何种信号的检测，都对微流控芯片提出了两个要求，分别是物理分隔的反应位置和可连续进行反应（Sequential Reaction），微孔阵列不仅可以通过泊松分布实现微球和细胞配对，也可以通过液体交换对细胞进行染色等反应进行实时监测，但由于微孔只有物理分隔的作用，对于细胞的提取复杂繁琐；而采用油包水的液滴方案，将液滴和微球等反应物包裹在液滴中同样达成了物理上的分隔，而且可以使用流体或电场控制液滴通过控制液滴的移动来控制细胞的移动，这样可以解决微孔阵列中无法操控细胞的问题，却失去了连续反应的能力。由于水相反应物都被包裹在油中，如果需要增加反应物要在液滴的芯片上做液滴的融合，如果需要彻底改变反应物，则需要破乳后重新形成液滴，理论上虽然可以实现，但从产品化的角度，每一种不同的应用或细微的改变都需要重新设计液滴芯片并进行大量工程验证优化等工作，难以实现单细胞多组学上多样的应用需求。

液滴的方法中有一种基于介电润湿的数字微流控技术，利用介电润湿效应驱动液滴动作的原理在于通过对嵌在介电层下的微电极阵列施加电压来改变介电层与附着于其表面导电液滴间的润湿特性，使液-固接触角发生变化，造成液滴两端不对称形变，促使液滴内部产生压强差，从而实现对液滴变成或运动的操作与控制。注意，介电润湿的技术在于移动液滴，通过移动包裹细胞的液滴来移动细胞。因此，同样存在液滴捕获细胞的问题，单细胞的捕获一方面可以通过有限的对称分裂实现，也可以搭载十字油包水的液滴挤出系统（液滴数字微流体ID2M）实现，前者步骤繁琐，而后者依赖于泊松分布，捕获效率低下，加之可变液滴的移动稳定性尚待研究，数字微流体在高通量单细胞分析上不占优势。

最终，基于光电镊的技术，通过可见光照射光敏材料诱导产生非均匀电场介电泳力， 推动Beads或细胞移动。这个方法可以结合上述方法中的优势，通过对***以上的光敏像素点的数字化控制，可以实现直接对于细胞和Beads的高度并行操控，同时可以对细胞的环境进行换液加样，进行连续的多种的反应，并通过成像方式实时监测细胞状态和增殖情况。

目前，国内**拥有该技术的是彩科（苏州）生物科技有限公司(以下简称:Lychix彩科生物)。