在生命科學(xué)領(lǐng)域，單細胞測序技術(shù)就像一把“精密手術(shù)刀”，讓科學(xué)家得以剖析每個細胞的分子特征，為深入理解生命的復(fù)雜性提供獨特視角。然而，現(xiàn)有的單細胞測序技術(shù)的局限性往往需要科學(xué)家做出取舍：要么漏掉某些細胞，要么抓不住細胞形態(tài)。這便導(dǎo)致在應(yīng)對一些復(fù)雜研究場景時，現(xiàn)有技術(shù)就如同“盲人摸象”般看不到細胞所處環(huán)境的全貌信息。
北京時間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)全國重點實驗室聯(lián)合多家機構(gòu)，在《科學(xué)》發(fā)布了細胞組學(xué)技術(shù)Stereo-cell，該技術(shù)實現(xiàn)了多模態(tài)整合、原位動態(tài)捕捉、極限樣本兼容、百萬級通量等技術(shù)突破，打破傳統(tǒng)單細胞測序技術(shù)局限。
據(jù)介紹，該成果將推動單細胞測序擺脫往往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”時代，將為規(guī)模化開展細胞病理、發(fā)育與衰老、免疫與疾病、動植物遺傳與進化等前沿研究提供強有勁的支撐。
Stereo-cell技術(shù)特點總結(jié)。研究團隊供圖
一次性捕捉、識別百萬個細胞
目前，單細胞研究領(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胞測序技術(shù)。但這種傳統(tǒng)的單細胞測序技術(shù)存在諸多局限，例如細胞回收率低；無法直接觀測細胞形態(tài)與形狀；對大尺寸細胞解析困難、信息捕獲不全；實驗批次間的細胞數(shù)據(jù)差異大等。
在該研究中，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，在無需依賴特定設(shè)備進行細胞分隔封裝的情況下，可直接對細胞進行原位捕獲和轉(zhuǎn)錄組測序，實現(xiàn)了從百個至百萬個量級細胞的無偏捕獲，同步解析細胞的轉(zhuǎn)錄、蛋白信號與形態(tài)學(xué)信息。
“該芯片以直徑僅為220納米的小球以500納米的間距密集排列組成，就像納米級別的‘捕手’，通過靜電吸附的方式以捕獲細胞，避免了傳統(tǒng)方法中因物理限制導(dǎo)致的細胞丟失或變形的問題?！蔽恼鹿餐谝蛔髡摺⑷A大生命科學(xué)研究院副研究員劉暢介紹。
通過結(jié)合顯微成像及空間定位，Stereo-cell能對所捕獲的每一個細胞進行“CT掃描”和“GPS定位”，實現(xiàn)對每一個細胞的精準識別，避免了因多個細胞重疊或背景雜亂導(dǎo)致的誤判。研究顯示，該技術(shù)生成的單細胞基因表達譜與傳統(tǒng)平臺獲得的數(shù)據(jù)高度一致，且細胞類型比例更契合真實情況。
在該項研究中，科研人員利用Stereo-cell技術(shù)，在0.5×0.5厘米、6×6厘米不同尺寸芯片規(guī)格上，實現(xiàn)了從百個到百萬個量級細胞投入的超寬通量范圍，且能夠在一次實驗中從大規(guī)模樣本中識別出稀有細胞亞群，即便占比僅0.05%的稀有細胞也能被精準找到，實現(xiàn)“大海撈針”。此外，Stereo-cell芯片尺寸最大可達到13×13厘米，為未來更大細胞通量研究提供了可能。
“實時直播”細胞動態(tài)變化
能否一次性獲得細胞的多維度信息，如細胞形態(tài)特征、分子類型和功能狀態(tài)，一直是單細胞研究中的技術(shù)難題。研究人員介紹，Stereo-cell整合了熒光染色和抗體標記技術(shù)，能同時捕獲細胞形態(tài)、轉(zhuǎn)錄本和細胞表面蛋白，同時識別細胞類型與其功能，相當于給細胞拍一張“多模態(tài)立體照片”。
“過去做單細胞測序時，需要做很多驗證性實驗，例如免疫熒光染色或流式細胞術(shù)等，如今我們將這些技術(shù)集成在一起。一次實驗就能捕獲百萬數(shù)量細胞，并且獲取形態(tài)、轉(zhuǎn)錄和蛋白特征，實現(xiàn)更深度地解析細胞的病理狀態(tài)?！蔽恼鹿餐谝蛔髡摺⑷A大生命科學(xué)研究院研究員劉傳宇表示，Stereo-cell技術(shù)將顯著推動單細胞組學(xué)邁向臨床細胞組學(xué)，有望在疾病機制研究和臨床轉(zhuǎn)化中發(fā)揮巨大潛力。
此外，Stereo-cell支持細胞直接在芯片上培養(yǎng)，實現(xiàn)原位動態(tài)測序，捕捉基因轉(zhuǎn)錄活性變化，并保留空間位置及時序變化信息。在芯片上培養(yǎng)成纖維細胞的研究中，該技術(shù)不僅捕獲了細胞遷移和纖維化過程中的基因表達變化，還解析了細胞外囊泡的時空分布規(guī)律，以及真實物理接觸細胞間的互作信號。這為理解細胞間通訊打開了全新視角，極大擴展了單細胞測序研究的邊界，如應(yīng)用于大規(guī)模藥物篩選和小分子擾動實驗等。
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能精準區(qū)分不同功能區(qū)域的基因表達，揭示肌纖維的空間異質(zhì)性；在體積較大的卵細胞研究中，Stereo-cell可高通量地原位捕獲719個卵母細胞，繪制其從生長到成熟過程中的基因表達變化、染色質(zhì)形態(tài)動態(tài)和RNA亞細胞空間分布等。
助力突破生命科學(xué)底層理論
在21日舉辦的成果發(fā)布會上，基于Stereo-cell技術(shù)平臺，“百億細胞聯(lián)盟（10BC）”正式成立，旨在繪制細胞圖譜，構(gòu)建虛擬細胞，深度解碼生命底層規(guī)律，推動生命科學(xué)實現(xiàn)從生物數(shù)據(jù)儲備到智能技術(shù)驅(qū)動的產(chǎn)業(yè)革新。
“當前在生命科學(xué)領(lǐng)域，我們尚未形成像物理、化學(xué)、材料等領(lǐng)域的底層規(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)全國重點實驗室主任、華大集團首席研究員徐訊說道，隨著人工智能技術(shù)（AI）的發(fā)展，通過整合有效的單細胞數(shù)據(jù)以構(gòu)建虛擬細胞模型，實現(xiàn)生命科學(xué)底層理論的突破逐漸成為科學(xué)界的共識。
今年三月，扎克伯格-陳計劃(CZI)宣布啟動“十億細胞項目”,目標是生成10億級單細胞數(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，更是新一代生命數(shù)據(jù)引擎。而基于此平臺發(fā)起的百億細胞聯(lián)盟，將構(gòu)建包括生命圖譜、疾病圖譜和擾動響應(yīng)圖譜在內(nèi)的“三大細胞宇宙數(shù)據(jù)庫”。他呼吁：“歡迎全球科研團隊共建共享，共同推動細胞AI大模型與虛擬細胞系統(tǒng)研發(fā)，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)到診療的系統(tǒng)性躍遷?！?span style="display:none">nrT速刷資訊——每天刷點最新資訊，了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM
“在當前的生命科學(xué)發(fā)展階段，需要整合更多的信息和數(shù)據(jù)。單細胞解析的數(shù)據(jù)如果能覆蓋大細胞及細胞間交互作用，甚至精細到亞細胞結(jié)構(gòu)層面。將這些百億、千億級別的細胞多維信息進行整合，并借助AI模型進行系統(tǒng)性分析，將極大深化我們對疾病機制的理解，推動重大領(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意義。” 上海瑞金醫(yī)院長三角健康研究院院長曹亞南說道。
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https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr0475
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