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單細(xì)胞分析技術(shù)研究呈“井噴"式增長(zhǎng)
[導(dǎo)讀] 近年來，單細(xì)胞測(cè)序逐漸大眾化，相關(guān)的論文發(fā)表數(shù)量在2010年后呈指數(shù)增長(zhǎng)之勢(shì)，在高品質(zhì)期刊上發(fā)表的單細(xì)胞研究成果屢見不鮮。其產(chǎn)生的影響深遠(yuǎn)，以致Nature Methods將單細(xì)胞測(cè)序選為2013年度重大技術(shù)，并在2014年首刊專述。
學(xué)理工的人大概都有這樣的感覺，很多規(guī)律和現(xiàn)象都可以用理論、公式或算法來描述及推導(dǎo)。只要知道了所有的條件，便能預(yù)測(cè)結(jié)果。反過來，也可以通過現(xiàn)象反推關(guān)鍵的成因。久而久之，我們也習(xí)慣并愛上了這樣邏輯清晰、條理分明的世界。以至于我們時(shí)常因?yàn)橐馔獾慕Y(jié)果徒然而嘆，也為尋找到那孜孜以求的“理"而歡欣鼓舞。拋開現(xiàn)實(shí)里的林林總總，理工男女的生活可以很簡(jiǎn)單——以“理"立身，有“理"走遍天下，無“理"無地容身。這樣的準(zhǔn)則對(duì)某些人來說甚至可以上升到人生哲學(xué)的高度——直到他們遇上了生物學(xué)。
相比數(shù)理化，生命科學(xué)相當(dāng)“后進(jìn)"。在數(shù)理化已經(jīng)發(fā)展到有相當(dāng)完整的理論體系的今天，生物學(xué)，尤其是分子生物學(xué)可謂是才剛剛起步。“不幸的"生物工作者還處于認(rèn)知的原始積累階段。我們研究的幾乎每一個(gè)對(duì)象，每一種方法，大概還沒有可以宣稱已經(jīng)研究透徹的例子——即使對(duì)象是簡(jiǎn)單如病毒這樣連生命都算不上的活性大分子。實(shí)驗(yàn)不能重復(fù)，現(xiàn)象無法解釋這樣的事在生物實(shí)驗(yàn)室里是家常便飯。許多人都遇到過PCR擴(kuò)增失敗，或電泳多出一條帶這樣的事。多數(shù)選擇再做一次看看，而不是尋根究底。因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)太復(fù)雜、變量太多太多了。
系統(tǒng)的復(fù)雜程度太高是一方面，另外一個(gè)原因是研究手段的局限(當(dāng)然還有更多客觀原因，非本文主旨所以省略)。微觀世界的研究手段的升級(jí)依賴于其他科學(xué)門類的進(jìn)步，對(duì)手段的依賴必然導(dǎo)致方法論的單調(diào)。在分子和細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域，許多人習(xí)慣用宏觀思維去理解微觀世界，比如重視群體現(xiàn)象而忽視個(gè)體差異，用一群相關(guān)的細(xì)胞代替一個(gè)系統(tǒng)。而對(duì)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)用籠統(tǒng)的手段進(jìn)行研究，得出的結(jié)論自然是粗淺的。
雖然沒人做過統(tǒng)計(jì)，但據(jù)估計(jì)至少95%以上的現(xiàn)代生物學(xué)研究成果是建立在對(duì)細(xì)胞群體的研究基礎(chǔ)上。忽略細(xì)胞異質(zhì)性(Cellular Heterogeneity)的方法固然降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，簡(jiǎn)化了流程。其帶來的生物信息不可逆的丟失也是顯而易見的。這種平均化的方法必然導(dǎo)致信息的稀釋或丟失，在某些情況下甚至?xí)屓说贸雒艿慕Y(jié)論。另外，該方法讓發(fā)現(xiàn)并分離細(xì)胞群體中的“異類"的嘗試變得難上加難。如此，只有強(qiáng)信號(hào)才有可能被檢測(cè)到。而這不僅讓以往科學(xué)家們的努力有了不過是摘取了低處枝條上果實(shí)的意味，也讓部分成果的準(zhǔn)確性打上了問號(hào)。
單細(xì)胞分析技術(shù)正是解決上述問題的方法，其中zui引人注目的是單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)(Single-Cell Sequencing)。然而，細(xì)胞異質(zhì)的不確定性導(dǎo)致需要同時(shí)分析很多單細(xì)胞以消除小量樣品可能帶來的偏差，而這直接和實(shí)驗(yàn)可行性掛鉤。幸運(yùn)的是，由于技術(shù)的進(jìn)步和費(fèi)用的降低，單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)近年來已得到迅速推廣。通過對(duì)單個(gè)細(xì)胞的逐個(gè)測(cè)序，信息的精度、深度，以及信息量可獲得幾何級(jí)數(shù)的增長(zhǎng)，隨之帶來的是我們對(duì)具體對(duì)象更加翔實(shí)和準(zhǔn)確的了解。而且，通過數(shù)學(xué)方法，高度相關(guān)的細(xì)胞可以被整合起來當(dāng)作亞群體處理以部分消除單個(gè)細(xì)胞的隨機(jī)異質(zhì)性，或者按相關(guān)性重排以構(gòu)建全新的不依賴于傳統(tǒng)時(shí)間軸的圖譜。這些新手段已經(jīng)給我們帶來了一些的認(rèn)知。那些前沿科學(xué)家們所取得的成就，同時(shí)也刺激著更多的人加入他們的行列，形成了正反饋。
近年來，單細(xì)胞測(cè)序逐漸大眾化，相關(guān)的論文發(fā)表數(shù)量在2010年后呈指數(shù)增長(zhǎng)之勢(shì)，在高品質(zhì)期刊上發(fā)表的單細(xì)胞研究成果屢見不鮮。其產(chǎn)生的影響深遠(yuǎn)，以致Nature Methods將單細(xì)胞測(cè)序選為2013年度重大技術(shù)，并在2014年首刊專述。在后面的文章中我將會(huì)挑選幾篇有代表性的文章談?wù)勊鼈兊囊饬x。有意思的是，二代測(cè)序技術(shù)已經(jīng)在2007年當(dāng)選Nature的年度重大技術(shù)。單細(xì)胞研究的流行無疑讓它的使用拓展到了更廣闊的領(lǐng)域。
單細(xì)胞研究不僅在DNA和RNA測(cè)序方面取得了極大的進(jìn)展，單細(xì)胞質(zhì)譜分析(Mass Cytometry)也正在逐漸得到更多的關(guān)注。該技術(shù)用帶有重金屬原子標(biāo)記的單克隆抗體對(duì)細(xì)胞表面和細(xì)胞內(nèi)的關(guān)鍵蛋白進(jìn)行標(biāo)記，然后依次等離子化細(xì)胞，通過質(zhì)譜分離重金屬原子并分析其豐度來獲取相應(yīng)蛋白在各細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)情況。該技術(shù)也叫質(zhì)譜流式細(xì)胞技術(shù)，相比熒光流式細(xì)胞技術(shù)，其主要特點(diǎn)是背景低、通道互擾小，所以可以同時(shí)分析更多的蛋白質(zhì)。如今可用的重金屬標(biāo)記已達(dá)35種，這是基于熒光的檢測(cè)手段無法企及的(的熒光流式技術(shù)可一次檢測(cè)16-18種蛋白)。該技術(shù)可以一次分析百萬量級(jí)的單細(xì)胞，而且沒有理論上限，超出單細(xì)胞測(cè)序幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此可以用來構(gòu)建非常詳細(xì)的細(xì)胞關(guān)聯(lián)圖，尤其適合分析高復(fù)雜度的系統(tǒng)，比如血液中的細(xì)胞。另一方面，單細(xì)胞質(zhì)譜無法像測(cè)序那樣對(duì)全基因組進(jìn)行分析，但是由于它是直接對(duì)細(xì)胞的功能的執(zhí)行者——蛋白質(zhì)進(jìn)行解析，跳過了對(duì)細(xì)胞內(nèi)各種基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制的考量，其意義是非常明顯的。
此外，單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)讓微流控芯片技術(shù)(Microfluidics)得到了發(fā)展。除了在制備單細(xì)胞測(cè)序文庫方面具有優(yōu)勢(shì)以外，該技術(shù)在其他領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用也得到了拓展，如在微流控環(huán)境中進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)。該方法可將少數(shù)細(xì)胞分離到納升級(jí)(nL)的獨(dú)立單元中分別培養(yǎng)并進(jìn)行定向引導(dǎo)，然后可以立即利用微流控系統(tǒng)制備測(cè)序文庫。在干細(xì)胞研究以及生物制藥領(lǐng)域，該技術(shù)應(yīng)該有著廣闊的應(yīng)用前景。
在單個(gè)細(xì)胞層面的研究近年來經(jīng)歷了井噴式的增長(zhǎng)。然而，其應(yīng)用主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)研究中。目前臨床上*被使用的單細(xì)胞檢測(cè)法是胚胎植入前遺傳學(xué)診斷(PGD, Preimplantation Genetic Diagnosis)。循環(huán)腫瘤細(xì)胞(CTCs, Circulating Tumor Cells)雖然在定義上是存在于循環(huán)系統(tǒng)中的極少量單個(gè)細(xì)胞，臨床上仍然是先富集然后進(jìn)行整體分析。對(duì)單個(gè)CTC進(jìn)行分析的必要性已有探討，但開發(fā)出相應(yīng)的技術(shù)并在臨床上被接受還有一段路要走。
[來源：生物探索]
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