將一根細長的探針放進樣品容器，依托機器視覺系統識別，20秒內就能對單個細胞精準吸取，并將其注入納升級微反應器。通過一旁顯微鏡的傳輸畫面，記者看到，在探針視角下，容器中各個細胞如棋子般分布，位置清晰可見。
日前，由浙江大學杭州國際科創中心生物與分子智造研究院教授方群團隊研制的全自動單細胞蛋白質組分析平臺正式發布。方群介紹，這個分析平臺就像一個強大的“細胞解讀器”，能以單個細胞為單位，精確檢測其蛋白質的表達情況，從而揭示細胞間的共性和差異。這項研究為理解細胞生長發育、疾病發生發展以及藥物研發提供了全新視角和工具。
挑戰單細胞組學研究的“硬骨頭”
人體內的各種細胞組成成分復雜，包含DNA、RNA、蛋白質、代謝物等。其中，蛋白質是細胞功能的直接執行者。細胞通過蛋白質及其翻譯后修飾，可以感知并響應外在和內在刺激，從而影響整個生命體的功能和狀態。
“細胞具有異質性。比如同樣是腫瘤細胞，個體間也有所不同，有的容易發生轉移，有的對藥物比較敏感。”方群解釋說，傳統的分析方法是把很多細胞放到一個容器內進行分析，細胞的個體化信息就會被細胞群體的平均化結果掩蓋。
由此，單細胞分析技術應需而生。該技術可以對細胞進行逐個分析，測定細胞中各組分的組成和含量，鑒定細胞的狀態和功能，并進一步確定組織中存在的各種細胞類型。通過對細胞間異質性的研究，人們可以更好地理解細胞在生物體中的作用，以及它們參與生命活動的機制。
按照基因組、轉錄組、蛋白質組等具體分析目標細分，單細胞分析技術可分為不同路線。由于蛋白質無法在體外進行擴增，相較單細胞基因組學和轉錄組學技術而言，單細胞蛋白質組學技術發展相對滯后。在一個細胞中，蛋白質的總含量約為0.2納克，質量僅相當于一只螞蟻的千萬分之一。而且組成這0.2納克蛋白質的是近2萬種不同種類的蛋白質，在單細胞水平上進行蛋白質組分析的難度可想而知。
方群介紹，在單細胞水平上對細胞內表達的全部蛋白質（蛋白質組）進行定性和定量分析，是揭示細胞類型及其狀態必不可少的工具，在腫瘤異質性、干細胞分化、生殖細胞發育、神經細胞分析等領域有重要應用價值。此前，單細胞蛋白質分析技術已有基因編碼熒光蛋白標記法、基于抗體或核酸適體的標記法等手段，但這些手段在單細胞蛋白質鑒定深度方面均存在較大局限性。
“樣品準備是蛋白質組分析的關鍵步驟。”該研究團隊成員、浙江大學杭州國際科創中心王宇博士說，傳統的單細胞樣本前處理操作大多在微升級反應器中進行，在樣品處理和轉移過程中會出現明顯的樣品損失，導致單細胞蛋白質組分析的鑒定深度顯著降低。
利用微流控技術提升樣本純度
王宇介紹，想要提升單細胞蛋白質組分析的鑒定深度有兩種策略。一是在體積足夠小的微反應器中進行樣品前處理，利用微尺度效應提高反應效率；二是將所有操作整合在一起，降低樣品損失。但這兩種策略對技術與設備的要求都比較高。
多年來，方群團隊致力于微流控單細胞蛋白質組分析技術的研究。所謂微流控，指的是在微米級結構中操控微量液體的技術手段。此次研究中，該團隊基于前期研制的納升級微流控液滴操控機器人和“點取式”單細胞蛋白質組分析工作流程，建立了全自動單細胞蛋白質組分析平臺。該平臺由機器人負責樣品轉運，平臺集成細胞分選與捕獲、納升級體積樣品前處理、色譜進樣和分離、質譜檢測和數據分析等操作環節。方群介紹，應用微流控技術能顯著提升反應效率，降低樣本損失。在該平臺工作流程下，單份樣品進行樣品前處理中的液體體積，是常規手段下的幾十分之一。
傳統蛋白質組分析技術僅能在每個細胞中鑒定1000種左右的蛋白質，這在單細胞分析領域顯得有些“力不從心”。而應用該平臺，團隊目前對單個哺乳動物細胞蛋白質鑒定數最高已超過3000種，約占人類基因編碼蛋白質總數（約2萬種）的15%。
記者了解到，相較于傳統的單細胞蛋白質組分析系統，該平臺可完成單細胞蛋白質組分析全部流程操作自動化，包括單細胞的定向捕獲、多步驟預處理、自動進樣、色譜分離和質譜檢測等操作，顯著拓展了單細胞分析的信息深度和維度，提高了分析效率和可靠性。
“一款抗癌新藥在臨床試驗階段，如果患者產生耐藥性，有哪些蛋白質會發生改變？如何在發生耐藥之前進行逆轉？這些問題讓臨床醫生比較頭疼。”浙江省腫瘤醫院Ⅰ期臨床試驗病房主任宋正波說，全自動單細胞蛋白質組分析平臺的發布，或將幫助臨床醫生解決這些問題。
西湖大學生命科學學院特聘研究員、西湖實驗室智能蛋白質組中心主任郭天南認為，學科交叉融合，為蛋白質組學研究帶來新血液，該平臺走向產業化值得期待。在實際應用中，該平臺在通量提升、成本控制等方面還有持續改進空間。
方群說，接下來，團隊將進一步提高單細胞蛋白質組分析的鑒定深度和通量，以持續推進該技術的實用化水平。他們還將與生物醫學專家合作，拓展該技術在生物學、醫學和藥學等領域的深度應用，推動單細胞蛋白質組學技術的快速發展和應用普及。
將一根細長的探針放進樣品容器，依托機器視覺系統識別，20秒內就能對單個細胞精準吸取，并將其注入納升級微反應器。通過一旁顯微鏡的傳輸畫面，記者看到，在探針視角下，容器中各個細胞如棋子般分布，位置清晰可見。
日前，由浙江大學杭州國際科創中心生物與分子智造研究院教授方群團隊研制的全自動單細胞蛋白質組分析平臺正式發布。方群介紹，這個分析平臺就像一個強大的“細胞解讀器”，能以單個細胞為單位，精確檢測其蛋白質的表達情況，從而揭示細胞間的共性和差異。這項研究為理解細胞生長發育、疾病發生發展以及藥物研發提供了全新視角和工具。
挑戰單細胞組學研究的“硬骨頭”
人體內的各種細胞組成成分復雜，包含DNA、RNA、蛋白質、代謝物等。其中，蛋白質是細胞功能的直接執行者。細胞通過蛋白質及其翻譯后修飾，可以感知并響應外在和內在刺激，從而影響整個生命體的功能和狀態。
“細胞具有異質性。比如同樣是腫瘤細胞，個體間也有所不同，有的容易發生轉移，有的對藥物比較敏感。”方群解釋說，傳統的分析方法是把很多細胞放到一個容器內進行分析，細胞的個體化信息就會被細胞群體的平均化結果掩蓋。
由此，單細胞分析技術應需而生。該技術可以對細胞進行逐個分析，測定細胞中各組分的組成和含量，鑒定細胞的狀態和功能，并進一步確定組織中存在的各種細胞類型。通過對細胞間異質性的研究，人們可以更好地理解細胞在生物體中的作用，以及它們參與生命活動的機制。
按照基因組、轉錄組、蛋白質組等具體分析目標細分，單細胞分析技術可分為不同路線。由于蛋白質無法在體外進行擴增，相較單細胞基因組學和轉錄組學技術而言，單細胞蛋白質組學技術發展相對滯后。在一個細胞中，蛋白質的總含量約為0.2納克，質量僅相當于一只螞蟻的千萬分之一。而且組成這0.2納克蛋白質的是近2萬種不同種類的蛋白質，在單細胞水平上進行蛋白質組分析的難度可想而知。
方群介紹，在單細胞水平上對細胞內表達的全部蛋白質（蛋白質組）進行定性和定量分析，是揭示細胞類型及其狀態必不可少的工具，在腫瘤異質性、干細胞分化、生殖細胞發育、神經細胞分析等領域有重要應用價值。此前，單細胞蛋白質分析技術已有基因編碼熒光蛋白標記法、基于抗體或核酸適體的標記法等手段，但這些手段在單細胞蛋白質鑒定深度方面均存在較大局限性。
“樣品準備是蛋白質組分析的關鍵步驟。”該研究團隊成員、浙江大學杭州國際科創中心王宇博士說，傳統的單細胞樣本前處理操作大多在微升級反應器中進行，在樣品處理和轉移過程中會出現明顯的樣品損失，導致單細胞蛋白質組分析的鑒定深度顯著降低。
利用微流控技術提升樣本純度
王宇介紹，想要提升單細胞蛋白質組分析的鑒定深度有兩種策略。一是在體積足夠小的微反應器中進行樣品前處理，利用微尺度效應提高反應效率；二是將所有操作整合在一起，降低樣品損失。但這兩種策略對技術與設備的要求都比較高。
多年來，方群團隊致力于微流控單細胞蛋白質組分析技術的研究。所謂微流控，指的是在微米級結構中操控微量液體的技術手段。此次研究中，該團隊基于前期研制的納升級微流控液滴操控機器人和“點取式”單細胞蛋白質組分析工作流程，建立了全自動單細胞蛋白質組分析平臺。該平臺由機器人負責樣品轉運，平臺集成細胞分選與捕獲、納升級體積樣品前處理、色譜進樣和分離、質譜檢測和數據分析等操作環節。方群介紹，應用微流控技術能顯著提升反應效率，降低樣本損失。在該平臺工作流程下，單份樣品進行樣品前處理中的液體體積，是常規手段下的幾十分之一。
傳統蛋白質組分析技術僅能在每個細胞中鑒定1000種左右的蛋白質，這在單細胞分析領域顯得有些“力不從心”。而應用該平臺，團隊目前對單個哺乳動物細胞蛋白質鑒定數最高已超過3000種，約占人類基因編碼蛋白質總數（約2萬種）的15%。
記者了解到，相較于傳統的單細胞蛋白質組分析系統，該平臺可完成單細胞蛋白質組分析全部流程操作自動化，包括單細胞的定向捕獲、多步驟預處理、自動進樣、色譜分離和質譜檢測等操作，顯著拓展了單細胞分析的信息深度和維度，提高了分析效率和可靠性。
“一款抗癌新藥在臨床試驗階段，如果患者產生耐藥性，有哪些蛋白質會發生改變？如何在發生耐藥之前進行逆轉？這些問題讓臨床醫生比較頭疼。”浙江省腫瘤醫院Ⅰ期臨床試驗病房主任宋正波說，全自動單細胞蛋白質組分析平臺的發布，或將幫助臨床醫生解決這些問題。
西湖大學生命科學學院特聘研究員、西湖實驗室智能蛋白質組中心主任郭天南認為，學科交叉融合，為蛋白質組學研究帶來新血液，該平臺走向產業化值得期待。在實際應用中，該平臺在通量提升、成本控制等方面還有持續改進空間。
方群說，接下來，團隊將進一步提高單細胞蛋白質組分析的鑒定深度和通量，以持續推進該技術的實用化水平。他們還將與生物醫學專家合作，拓展該技術在生物學、醫學和藥學等領域的深度應用，推動單細胞蛋白質組學技術的快速發展和應用普及。
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