細(xì)胞是生命活動(dòng)的基本功能單位，而在生物體內(nèi)沒(méi)有任何兩個(gè)細(xì)胞是完全相同的。傳統(tǒng)的生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)研究，絕大多數(shù)情況下都是針對(duì)混合的大量細(xì)胞進(jìn)行的，無(wú)法觀察到單個(gè)細(xì)胞之間細(xì)微的差別。近年來(lái)不斷發(fā)展的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，提供了更加定量與客觀的證據(jù)，表明在許多關(guān)鍵生命過(guò)程例如胚胎發(fā)育、細(xì)胞分化、疾病發(fā)生與發(fā)展等過(guò)程中，特定的單個(gè)細(xì)胞行為，以及其間的個(gè)體化差異與異質(zhì)性，導(dǎo)致了極其重要甚至是決定性的結(jié)果。而之前基于大量細(xì)胞平均測(cè)量所獲得的結(jié)果并無(wú)法正確反映復(fù)雜生物體系的全面真實(shí)信息，嚴(yán)重掩蓋了獨(dú)立個(gè)體樣本的行為以及生命現(xiàn)象中大量存在的隨機(jī)行為。針對(duì)單個(gè)細(xì)胞的研究，是細(xì)胞生命分析技術(shù)所追求的極限狀態(tài)，是對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)極大的挑戰(zhàn)。
單細(xì)胞測(cè)序利用新一代的測(cè)序技術(shù)來(lái)分析單個(gè)細(xì)胞內(nèi)的基因信息，成為解讀單細(xì)胞的最佳工具。單細(xì)胞全轉(zhuǎn)錄組測(cè)序是單細(xì)胞高通量測(cè)序需求量最大的應(yīng)用，它所測(cè)定的是單個(gè)細(xì)胞內(nèi)所有基因的表達(dá)量，同時(shí)還可以測(cè)定除了mRNA分子外，其他長(zhǎng)非編碼RNA(lncRNA)以及小RNA的含量，定量獲取單個(gè)細(xì)胞完整的表達(dá)譜。目前采用的新一代測(cè)序技術(shù)中，絕大多數(shù)方法都需要特定的前處理過(guò)程，制備“測(cè)序文庫(kù)”。而針對(duì)單細(xì)胞樣品，已有的方法均存在很多缺陷，導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度不高、基因表達(dá)信息丟失嚴(yán)重、技術(shù)噪音高、操作失誤率高、重復(fù)性差。
為了解決這一矛盾，兩個(gè)課題組合作開發(fā)了新的文庫(kù)制備方法，將最關(guān)鍵的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組文庫(kù)構(gòu)建步驟集成在一個(gè)微流控芯片上，可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)樣品的操作。這一技術(shù)的開發(fā)，大大減少了試劑用量，在反應(yīng)效率得到提升的同時(shí)極大地抑制了污染的發(fā)生，還減少了操作誤差，實(shí)現(xiàn)了更高的可靠性和更好的平行性。
通過(guò)對(duì)幾十個(gè)細(xì)胞的分析表明，這一方法可以有效地消除轉(zhuǎn)錄組高度動(dòng)態(tài)特性所帶來(lái)的測(cè)量差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)單細(xì)胞異質(zhì)性的分析和判斷。通過(guò)多個(gè)細(xì)胞較低深度的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，可以獲取比同等成本下單個(gè)細(xì)胞高深度測(cè)序更重要的細(xì)胞異質(zhì)性信息，而更好地展現(xiàn)生物體系的復(fù)雜性、隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)過(guò)程。而通過(guò)微流控芯片上的精確細(xì)胞操控和主動(dòng)俘獲過(guò)程，還可以擺脫其他類似方法中隨機(jī)俘獲的局限性，實(shí)現(xiàn)對(duì)極其少量細(xì)胞的完全俘獲和反應(yīng)前的表型觀察，以更好地理解和驗(yàn)證單個(gè)細(xì)胞的異質(zhì)性。與已有的技術(shù)相比，這一工作展示了目前最好的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序檢測(cè)靈敏度和平行性。
黃巖誼博士同時(shí)任北京大學(xué)工學(xué)院教授，湯富酬博士同時(shí)任北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員。黃巖誼組博士后Aaron Streets博士、趙亮博士和研究生張先念為論文的主要作者。這一工作得到了國(guó)家科技部973計(jì)劃、863計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委及霍英東教育基金會(huì)的資助。
