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單細(xì)胞測序分析技術(shù)在轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用講解
行業(yè)新聞 2018-11-23
 　　細(xì)胞具有天然的異質(zhì)性

　　異質(zhì)性是細(xì)胞的天然特性之一，看似相同的一群細(xì)胞，其內(nèi)部有可能存在本質(zhì)的差別。這種異質(zhì)性是由很多因素造成的，除了各細(xì)胞所處微環(huán)境的差異以外，更多的是細(xì)胞內(nèi)在活動的一種表現(xiàn);通常，細(xì)胞的異質(zhì)性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

　　在基因水平，基因組本身就存在多態(tài)性，各種突變、重組會引起不同細(xì)胞間基因組序列上的差異;此外，甲基化、乙酰化等表觀遺傳修飾上的差異也會引起細(xì)胞間基因表達(dá)上的不同;在轉(zhuǎn)錄水平，不同的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白的種類和活性各不相同，許多基因的轉(zhuǎn)錄還具有一定的隨機性。在蛋白水平上，不同細(xì)胞內(nèi)各個蛋白表達(dá)量和修飾狀態(tài)各不相同，各個信號通路狀態(tài)也有所不同，而這也會反過來影響基因的轉(zhuǎn)錄。

　　這些差異反映在細(xì)胞水平上就表現(xiàn)為細(xì)胞功能的異質(zhì)性。在基礎(chǔ)和臨床醫(yī)學(xué)研究中，這種異質(zhì)性是無法忽視的。一個典型的例子就是免疫系統(tǒng)B、T細(xì)胞成熟過程中的所表現(xiàn)出的異質(zhì)性，這種異質(zhì)性是免疫系統(tǒng)應(yīng)對復(fù)雜的機體內(nèi)外環(huán)境的基礎(chǔ);另外，在癌癥發(fā)生過程中，由于基因突變等事件具有一定的偶然性，癌癥組織也具有非常大的異質(zhì)性，這種異質(zhì)性也常常會成為臨床上癌癥治療的主要障礙之一。

單細(xì)胞測序分析技術(shù)在轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用講解介紹

　　單細(xì)胞分析是研究細(xì)胞異質(zhì)性的有效手段

　　研究細(xì)胞異質(zhì)性的關(guān)鍵就在于能否實現(xiàn)對單個細(xì)胞進行較多參數(shù)的分析，這就是“單細(xì)胞分析(singlecellanalysis)”的概念。事實上，自從“細(xì)胞”學(xué)說被提出后，人類一直在努力尋求分析單個細(xì)胞的技術(shù)方法。但是，單細(xì)胞分析有一個巨大的挑戰(zhàn)，那就是樣品量及其有限，一個典型的人類細(xì)胞僅含有約6.6pgDNA、10pg總RNA。從如此有限的樣品中獲取大量精確的數(shù)據(jù)無疑是一個巨大的挑戰(zhàn)。所以，傳統(tǒng)的高通量分析手段例如基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組學(xué)等，往往只能基于大量細(xì)胞進行分析，得到的也是大量細(xì)胞的平均信息;而一些可以針對單細(xì)胞進行分析的方法，例如免疫熒光、流式細(xì)胞術(shù)等，也會受到通道的限制，僅僅對少數(shù)幾種蛋白進行分析，同樣無法深入分析其異質(zhì)性。

　　直到近幾年，隨著相關(guān)領(lǐng)域的一系列技術(shù)突破，“單細(xì)胞分析”的概念才真正得以實現(xiàn)。兩類技術(shù)在這過程中起到了先導(dǎo)作用，首先是測序技術(shù)的進步，以illumina為代表的第二代測序技術(shù)大大降低了測序成本，使在一個實驗中對多個樣本測序成為可能;其次，一些可以用于單細(xì)胞核酸樣本的擴增技術(shù)(例如MDA擴增基因組，SMART、TargetAmp可以擴增轉(zhuǎn)錄組)的開發(fā)，解決了單細(xì)胞核酸樣品量少的問題。這兩類技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)了對單細(xì)胞基因組和轉(zhuǎn)錄組的測序，開創(chuàng)了組學(xué)的重要分支：單細(xì)胞基因組學(xué)(singlecellgenomics)和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)(singlecelltranscriptomics)。后來，隨著基于微流體芯片技術(shù)的C1單細(xì)胞全自動實驗系統(tǒng)和BiomarkHD(Fluidigm)的廣泛應(yīng)用，單細(xì)胞分析開始向自動化、更多細(xì)胞通量的方向發(fā)展。

　　與此同時，新的單細(xì)胞蛋白質(zhì)檢測技術(shù)也不斷涌現(xiàn)。其中，比較有代表性的就是質(zhì)譜流式技術(shù)(MassCytometry)，通過特殊的金屬標(biāo)簽抗體，它可以實現(xiàn)在單個細(xì)胞上幾十個蛋白的同時檢測。

　　單細(xì)胞分析技術(shù)促進了轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的發(fā)展

單細(xì)胞測序分析技術(shù)在轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用講解介紹

　　轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)是近年來在醫(yī)學(xué)健康領(lǐng)域出現(xiàn)的新概念，目的是為了縮短基礎(chǔ)與臨床之間的距離，促進基礎(chǔ)研究和臨床研究成果的相互轉(zhuǎn)化。多參數(shù)單細(xì)胞測序分析在轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的研究中有著獨特的優(yōu)勢，這是由于臨床樣本具有其特殊性決定的。

　　首先，臨床樣本也存在很大的異質(zhì)性，只有單細(xì)胞分析才能有效揭示這種異質(zhì)性;第二，很多臨床樣本量及其有限，極端情況下甚至只有一個細(xì)胞可供檢測，單細(xì)胞檢測是唯一可行的方法;第三，臨床樣本都是來自人的樣本，和實驗動物不同，對于人所能用的研究方法受到很大限制，因此要求我們在有限的樣本中盡量多的獲取數(shù)據(jù)。而多參數(shù)單細(xì)胞分析恰恰滿足了這種需要。?目前，單細(xì)胞檢測已經(jīng)在轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，突出表現(xiàn)在以下一些方面：

　　1)疾病早期診斷

　　用于疾病早期診斷或者預(yù)后相關(guān)標(biāo)志物的尋找，有效的指導(dǎo)臨床;甚至在一些案例中，單細(xì)胞測序分析技術(shù)可以直接做為早期診斷手段使用。

　　2014年年中，斯坦福大學(xué)利用質(zhì)譜流式技術(shù)對髖關(guān)節(jié)置換病人手術(shù)前后的免疫細(xì)胞進行分析。經(jīng)過一系列細(xì)胞亞群和信號通路分析，研究者發(fā)現(xiàn)了病人單核細(xì)胞中的NK-b等數(shù)個通路分子激活與病人康復(fù)速度有很高的相關(guān)性。基于此，研究人員可以開發(fā)一套基于外周血的康復(fù)時間預(yù)測方法。

　　著床前胚胎遺傳學(xué)診斷(Preimplantationgeneticdiagnosis簡稱PGD)是避免有遺傳病史的父母生出遺傳缺陷嬰兒的重要手段。美國生殖醫(yī)學(xué)中心完成了全球第一例胚胎單細(xì)胞測序。數(shù)據(jù)表明，這種胚胎單細(xì)胞基因檢測技術(shù)可以使體外受精獲得健康胚胎的成功率提高到99%，避免嬰兒出現(xiàn)唐氏綜合癥以及其他染色體異常等遺傳疾病。

　　2)疾病發(fā)生機制研究

　　多參數(shù)單細(xì)胞分析可以幫助研究人員深入分析正常或者病變組織的精細(xì)構(gòu)成，了解其在生理或病理進程，發(fā)現(xiàn)組織中發(fā)揮重要作用的細(xì)胞亞群。這對于研究相關(guān)疾病的發(fā)病機制具有非常重要的意義。

　　例如，德州大學(xué)MDAnderson癌癥研究中心對乳腺癌進行了單細(xì)胞測序分析，通過對乳腺癌樣本中不同單細(xì)胞基因組的比較研究，發(fā)現(xiàn)乳腺癌發(fā)生過程中不同突變的出現(xiàn)的階段性;斯坦福大學(xué)Bendall等利用質(zhì)譜流式技術(shù)對正常人骨髓樣本中的不同分化階段的B系細(xì)胞進行檢測分析，不但精細(xì)展示了B細(xì)胞發(fā)育成熟的過程，而且新發(fā)現(xiàn)了B細(xì)胞發(fā)育過程中的一個重要Checkpoint。

單細(xì)胞測序分析技術(shù)在轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用講解介紹

　　3)藥物作用機理研究

　　人體組織細(xì)胞具有復(fù)雜的異質(zhì)性，不同細(xì)胞對于同一藥物的反應(yīng)也具有差異。以往對藥物作用機制的研究主要是基于一些相關(guān)的細(xì)胞株或者細(xì)胞系，但是這并不能全面反映人體組織對于藥物的反應(yīng)。事實上，正是一些藥物對“非靶細(xì)胞”的作用，導(dǎo)致了藥物副作用的產(chǎn)生。單細(xì)胞測序分析可以研究這種異質(zhì)性，它可以幫助我們了解組織中不同細(xì)胞對藥物的反應(yīng)。

　　斯坦福大學(xué)的Nolan實驗室曾經(jīng)用Dasatinib(一種用于治療白血病的藥物)處理正常人骨髓樣本，利用質(zhì)譜流式進行檢測，經(jīng)過細(xì)致的亞群和信號通路分析，觀察到了骨髓內(nèi)30多個不同亞群在藥物刺激時18個信號通路激活水平的改變。

　　最近，第16屆基因組生物學(xué)進展年會上(AGBT)推出Polaris單細(xì)胞實驗系統(tǒng)，全面集成了單細(xì)胞的分選、捕獲、培養(yǎng)、給藥以及核酸樣品制備，為藥物機制研究增添了又一有力工具。

　　4)為實現(xiàn)個體化治療提供數(shù)據(jù)支持

　　臨床樣本的異質(zhì)性不但體現(xiàn)在樣品內(nèi)細(xì)胞的不均一，也體現(xiàn)在樣品之間的差異。單細(xì)胞測序分析也可以非常方便的對不同病人樣本進行比較，找出不同樣本中具體的差別。這些數(shù)據(jù)可以成為制定個體化治療方案的重要依據(jù)。

　　目前，研究最多的就是各種類型的癌癥樣本的分析，先后有多個研究小組利用質(zhì)譜流式技術(shù)對白血病、乳腺癌、卵巢癌等進行多參數(shù)檢測和分析，這些數(shù)據(jù)可以全面地反映病人樣本間的差異。隨著該領(lǐng)域研究的逐步深入，個體化治療方案的制定將會有一個堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。?結(jié)語：

　　單細(xì)胞分析已經(jīng)漸漸滲透轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的諸多相關(guān)領(lǐng)域，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進步和普及，它將繼續(xù)推動基礎(chǔ)研究和臨床研究協(xié)同發(fā)展。從某種意義上說，在未來人類的健康將很大程度上取決與我們對于自身細(xì)胞的了解程度，因為，細(xì)胞是構(gòu)成生命基本單元，一切問題的根本都將歸結(jié)于細(xì)胞本身。




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