数年磨一剑！BD Rhapsody单细胞分析系统助推精准医学的发展

为推动单细胞研究的进展，测序巨头相继推出新一代测序仪，其中BD Rhapsody™单细胞分析系统便是其中的一个佼佼者，此系统的诞生基于 BD 在细胞生物学领域 40年的专业技术，克服了传统检测的局限性，能够对成千上万个单细胞的数百个表达基因同时进行数字定量，每个细胞提取独立数据，体现异质性，可以鉴定和表征新型和罕见细胞类型，有助于理解从免疫学到肿瘤学等多个领域内的生物学过程。

其实在2016年初，单细胞测序就受到异乎寻常的关注，先后有多家生物技术公司将触手伸到在这一技术领域。单细胞测序受到如此大的关注，和近年来单细胞测序领域的巨大科研进展密不可分。 早在2011年，Nature Methods 将单细胞测序列为年度值得期待的技术之一，2013年，Science将单细胞测序列为年度最值得关注的六大领域榜首。与此同时，越来越多与单细胞测序有关的研究也发表在顶级期刊上，科学家们在单细胞分析上也不断取得新的重要进展。

北京大学完成对单个卵细胞的高精度全基因组测序

2013年Cell杂志报道了来自北京大学的乔杰、汤富酬和谢晓亮等人关于单个卵细胞的高精度全基因组测序的工作结果。人类的遗传信息存在于每个细胞的DNA中，DNA是由四种不同的核苷酸组成的长链。这些核苷酸的组合和序列组成了遗传的基本功能单位——基因。无论在基础研究还是临床应用上，对细胞中所有基因序列（全基因组）的测定都是极其重要的。但是，由于单个细胞中仅含有每个基因的两个拷贝，因此对单个细胞进行全基因测序是非常困难的。北大团队巧妙地利用了卵细胞成熟、受精过程出现的独特的结构——极体，通过对极体的全基因组测序推断出在受精卵中母源基因组的情况，从而选择出一个正常的胚胎进行移植。随后，该技术被应用到多项研究工作中去。体外受精技术（IVF）是辅助生命个体在体外从单个细胞开始发育的技术，因此，单个卵细胞的全基因组测序是辅助生殖领域的研究人员梦寐以求的研究课题，而北大团队的这项工作实现了该领域的一项重大飞跃。

在单细胞水平上追踪造血干细胞的形成

2016年nature杂志发表了来自中国军事医学科学院附属医院（解放军307医院）刘兵课题组的重要研究进展，该研究团队通过筛选获得了pre-HSC的特异性表面标志物，借助于单细胞诱导体系，首次实现了pre-HSC单细胞的精准捕获。HSC移植是治疗血液系统恶性疾病最有效的途径之一，但骨髓移植对配型的要求以及供体的不足使其在临床应用中受到很大的限制。科学家们一直试图绕过这些限制，如在体外培养HSC使其增殖，但都没能获得成功，其中最重要的原因是由于目前人们对HSC发育过程中的调控机制知之甚少。HSC来源于血管内皮细胞，经过中间状态即造血干细胞 前体（pre-HSC）后，最终发育为移植有效的HSC。pre-HSC在胚胎细胞中所占的比例极小，15万胚胎细胞中只有10到20个，而且缺乏特异性的表面标志物将pre-HSC 与其他细胞区分开来，所以一直以来，分离pre-HSC以及后续的一系列研究都非常困难。而这篇文章为阐明HSC在体内形成过程中各个阶段的调控机制，以便能在体外模仿HSC的发育铺平了道路。

单细胞测序助力首个小肠立体百科全书的诞生

2017年nature杂志发表了博德研究所（Broad Institute）研究团队绘制的首个小肠细胞图谱！该研究由国际人类细胞图谱计划组委会联合主席、MIT生物学教授Aviv Regev博士，和马萨诸塞州综合医院消化科主任、临床胃肠病学家Ramnik Xavier博士领导。基于单细胞RNA测序（scRNA-seq），测定了共计53193个来自小鼠肠道和类肠器官细胞的表达图谱，带来了许多与以往认知不同的新发现，绘制出第一本立体的“小肠百科全书”。该图谱不仅确定了小肠所有已知细胞、特定细胞亚群和罕见细胞的基因表达特征，颠覆了我们对肠内激素分泌的传统认知，重新定义了肠内分泌细胞的分类，发现了两种新的簇细胞（Tuft Cell）亚型分别与免疫和神经发育有关，还描述了小肠细胞对寄生虫和微生物感染的感染模型，将为肠道疾病研究提供理论模型。

单细胞水平描绘肝癌微环境中的免疫图谱

无独有偶，同年cell杂志发表了北京大学生命科学学院BIOPIC中心、北京未来基因诊断高精尖创新中心、北大-清华生命科学联合中心张泽民研究组，首都医科大学附属北京世纪坛医院暨北京大学第九临床医学院肝胆胰外科彭吉润研究组，以及美国AMGEN公司的欧阳文军研究组的重大研究进展——首次在单细胞水平上描绘了肝癌微环境中的免疫图谱。该项工作是国际上首次大规模针对肿瘤相关T细胞的单细胞组学研究，提供了极有价值的数据资源，为多角度理解肝癌相关的T细胞特征奠定了基础。该项工作的数据积累、科学发现和理论推演有望促进已有的免疫治疗方案在肝癌中的临床应用，并有助于发现有效的针对肝癌治疗免疫治疗靶点，进而加速创立新的肝癌免疫疗法。同时，该项工作也为肿瘤免疫的图谱勾画作出了范式，为今后对其他肿瘤开展类似的研究及各类肿瘤免疫的发展提供了基础。

单细胞测序技术帮助分析乳腺癌的肿瘤侵袭模式

今年伊始，cell杂志发表了德州大学MD安德森癌症中心开发的一种新型单细胞测序技术成果。研究人员在对单细胞的基因组进行测序的同时保留了这个细胞在组织中的空间信息。运用这项技术，研究人员对10名同时携带导管原位癌DCIS 和浸润性导管癌 IDC的乳腺癌患者体内的1293个细胞进行了单细胞测序。研究结果能够直接勾画出从DCIS演变到IDC 的基因组谱系，而且研究表明DCIS细胞位于导管中时就积累了大部分的基因突变和拷贝数目变异。这项研究表明DCIS在导管中会进化出多个具有侵袭能力的肿瘤克隆，然后一个或多个克隆会脱离导管并转移到附近的组织中，形成浸润性导管癌。

诸如此类刊登在顶级医学杂志的研究还有很多，但是成果的获得离不开技术的支持。BD这次重磅推出的Rhapsody™单细胞分析系统克服了传统检测的局限性，如微阵列和大量细胞 RNAseq，传统检测依赖于对多个细胞的平均检测，来实现对细胞间微妙差异的观察。

与其他单细胞分析系统相比，BD Rhapsody™最突出的特点及优势在于：

• 克服 PCR 偏差 — BD分子标签：当对序列读取进行计数时，PCR 扩增偏差可导致基因定量不准确。Rhapsody采用“分子标签”技术，能为单细胞中每个转录本标记特异性分子标签，实现了单细胞水平上基因表达谱的绝对定量，同时，每个细胞也会被标记特异性细胞标签，这使高通量平行建库成为可能。实验者可借此克服扩增偏差，更准确地计算转录水平。

• 单细胞成像系统：对单细胞分离过程进行质控，监控细胞存活率、单细胞分离效率，有效保证实验成功率。该功能的实现主要依靠BD Rhapsody™单细胞分析系统中的BD Rhapsody扫描仪组件。BD Rhapsody扫描仪可提供自动化细胞计数和细胞样本活性测试，帮助用户制备适用于卡式芯片单细胞捕获的最佳浓度的样本。

• 更高的采样灵敏度：靶向分析方法有助于提高单细胞测序效率，Rhapsody系统提供的检测试剂盒（panel）可稳定的重现细胞异质性的数据，可用于探索与众多应用相关的细胞类型。且与全转录组扩增的mRNA分析相比，Rhapsody系统对罕见转录有更低的检测阈值。

• 更高的转录本检测特异性：系统通过特有的数据分析流程，去除PCR错误扩增产物，降低细胞非特异性表达水平。

• 更高的分辨率：可以分辨更细分、微观的细胞群和细胞亚种群。

• 更经济的测序和设备预算：结合Rhapsody特有的单细胞分离技术，单次实验可制备100-10000个单细胞文库，用户可根据需求定制引物，将检测范围集中在目标基因，大幅降低后续测序成本。

随着人们逐渐意识到单细胞研究对认识人自身以及疾病的重要性，单细胞测序技术的诞生恰逢其时。目前单细胞测序已经广泛用于微生物学、神经学、人体发育、免疫、癌症、辅助生殖等领域的研究。其中癌症与辅助生殖研究已经用于临床。在癌症诊治的临床应用中，利用单细胞测序分析癌组织遗传物质的变化可以更加准确的诊断癌症发生的原因，为治疗提供更加精准的靶点信息。同时，利用单细胞测序技术分析血液中罕见的CTC遗传信息的变化，可以有效监测肿瘤的变化。相信此次BD Rhapsody单细胞分析系统的闪亮登场，能够为目前高速发展中的精准医学带来浓墨重彩的一笔。