2018-02-23 16:05 | 浙江新聞客戶端 | 通訊員 周煒 記者 曾福泉
浙大學者利用Microwell-seq平臺構建小鼠細胞圖譜簡圖
世界上沒有兩片相同的樹葉，也沒有兩個相同的細胞。科學的進步讓我們「讀懂」生命體的每一個細胞成為了可能。
2月23日，國際著名學術期刊《細胞》（Cell）刊登浙江大學醫學院幹細胞與再生醫學中心郭國驥教授團隊的研究成果：利用微孔板測序技術構建小鼠細胞圖譜。該團隊自主研發低成本、高效率、完全國產化的高通量單細胞測序平臺Microwell-seq，並在短時間內利用這一平臺構建了全球首個哺乳動物的細胞圖譜。
從看一群細胞到看單個細胞
細胞是生命的最小獨立遺傳單位。生命體從一個受精卵開始分裂，逐漸發育成個體，細胞之間的差異越來越大，承擔不同的功能。即使相同功能的細胞也存在差異。極端的例子是，腫瘤細胞最初便是由一個正常細胞的變異而來。
傳統的測序技術「看」的是一組一組的、成群的細胞，「讀」到的是一堆細胞遺傳信號的均值，因此單個細胞的特異性表現容易被忽略。而單細胞測序，則通過「讀」取單個細胞的遺傳信息，很好地應對細胞群體異質性的問題。正因為如此，單細胞測序技術成為各國科學家研究的熱點，並進一步推動了人類對於生命奧秘對認知。
郭國驥認為，單細胞組學技術，使人類能夠從單個細胞的視角上更為精確的解析細胞的分化、再生、衰老以及病變，「這類技術正在帶來一場細胞檢測、分類和鑑定的方法學革命」。
2017年10月，美國科學家聯合多國科學家啟動 「人類細胞圖譜計劃（Human Cell Atlas，HCA），設想對人體中所有細胞進行分類和測序，系統地描繪人體細胞圖譜，並通過這把鑰匙，來加深對疾病診斷、監測、治療的了解。Facebook創始人馬克·扎克伯格出資支持這項計劃並將其稱為與「人類基因組計劃」媲美的國際科研項目。在過去幾年的研究中，單細胞測序已經在檢測腫瘤變異、產前診斷等方面展現出廣闊前景。
如何快速高效檢測單個細胞
在細胞圖譜計劃的勃勃雄心面前，科學技術近年來飛速發展，各國科學家都在爭相開發高水平的單細胞測序平臺：其中一個關鍵問題是：如何快速高效地檢測單個的細胞，才能拼完這幅巨量的超級「拼圖」？
郭國驥教授團隊在CELL上向全世界介紹了自己的方案：高通量的、低成本、操作簡單、完全國產化的Microwell-seq單細胞測序平臺。郭國驥說，我們利用微孔矩陣、分子標記和擴增技術，高通量、高精度地實現單細胞水平分析，解決了傳統測序中單個細胞核酸物質太少、容易丟失、分析成本高的難題。
韓曉平博士（第一作者名）向記者展示了一塊邊長三釐米的正方形薄片——一塊瓊脂糖做的微孔板，「上面有10萬個直徑30微米的『小坑』。」在研究中，科學家先用消化酶將一團相對緊實的細胞解離成單個細胞的懸浮液，然後傾倒到瓊脂糖微孔板上，「大約有1萬個細胞會『一個蘿蔔一個坑』地落入『坑』中。」這是第一步：捕獲單個細胞。
此後，科學家將為每一個被捕獲的細胞貼上「編號」，稱為磁珠索引。數萬個直徑25微米的磁珠落入「坑」中，封住了單個的細胞，同時為單個細胞標記上了DNA索引。第三步，就是常規的測序流程，每個細胞的表達譜將得到解析。在郭國驥教授團隊的這項技術中，團隊測的是單個細胞所有的mRNA，一種能翻譯蛋白的遺傳物質。
最初在準備索引磁珠的時候，課題組找遍全中國的生物技術公司，沒有一家能做，於是，課題組決定自己合成。郭國驥說：「在這個過程中，我們發現大量的索引引物不完整，卻一直找不到原因。」經過一個多月的排查，發現原來是用錯了DNA聚合酶。換了高保真酶DNA聚合酶之後，一切引刃而解。
郭國驥認為，Microwell-seq技術平臺操作簡單、成本低廉，必將推動前沿單細胞測序技術在基礎科研和臨床診斷的普及和應用。「從前分析一個細胞需要大概100元人民幣，而現在我們所研製的平臺只需要不到2元。而實驗操作更為快捷、簡便。」郭國驥說。
郭國驥課題組成員
構建首個哺乳動物細胞圖譜
利用Microwell-seq，團隊對來自小鼠不同生命階段的近50種器官組織的40餘萬個細胞進行了系統性的單細胞轉錄組分析，並構建了首個哺乳動物細胞圖譜。
郭國驥把這個圖譜稱為「細胞地圖」。在研究中，團隊對小鼠的主要細胞類型，每一種器官內的組織細胞亞型，基質細胞亞型，血管內皮細胞亞型，和免疫細胞亞型進行了詳細的描述。
現在點擊http://bis.zju.edu.cn/MCA/ 網站，就可以看到這張細胞地圖。網站不但有互動性的數據展示和基因搜索界面，還提供了單細胞數據比對系統。任何單細胞表達譜數據都可以通過單細胞比對分析，尋找到它所對應的細胞類型和來源。
研究發現，來自於不同組織的基質細胞，擁有完全不同的基因表達特徵，對組織特異性微環境行使重要的調節作用。這提示科學家，在組織工程和器官修復過程中不能只考慮組織細胞，必須同時修復相應的基質細胞體系。
「人類對於生命的認知就像對浩淼宇宙的探索，單細胞測序，賦予我們更為特殊的『觀測』手段，去探索生命體 『星空』中不曾發現的重要物質。」郭國驥說。「科學家可以利用這一平臺開展細胞命運決定的機制性研究，再生醫學的移植前細胞鑑定以及臨床疾病的細胞水平診斷帶來深遠的影響。」
審稿過程中， CELL三位評審專家對這項工作一致性地給出了「impressive」的評價，並認為「小鼠圖譜必將成為用途廣泛的生物數據資源」。 科學界認為，小鼠細胞圖譜的完成也將對下一步人類細胞圖譜的構建帶來指導性意義，並惠及細胞生物學、發育生物學、神經生物學、血液學和再生醫學等多個領域。
「我們的團隊實際上是以一己之力完成了一個浩大的工程，希望大家對我國的生命科學產業、技術和科學家有信心。中國人完全有能力、有技術繪製一張華人自己的細胞圖譜。」郭國驥說，「這項單細胞測序技術成本低廉，而且所有試劑和材料都實現了完全國產，商業化前景非常廣闊。我們團隊會繼續努力，不斷研發更好、更接地氣的技術，為中國的生物技術產業的發展貢獻力量。」