单细胞测序：为药物开发另辟蹊径

每种生物都是由复杂的细胞混合物组成的。每种类型的细胞都有其独特的特性和功能。这些因素相互作用，决定了我们如何生存以及为何生病。然而，我们至今还无法理解单个细胞是如何相互作用的。

好在，科学家有了一种强大的工具：单细胞测序。通过在单个实验中快速分析数千个甚至数百万个细胞，人们能够发现许多疾病的罪魁祸首，它们如何与同伴相互作用，以及哪些分子参与其中。

单细胞测序于2009年首次提出，四年后被《Nature Methods》杂志评为“年度技术”。最初，成本和技术限制了它的使用，但是随着测序变得更经济，生物信息学分析变得更可靠，单细胞测序领域开始蓬勃发展。

如今，科研界和制药界正想方设法利用这种强大的技术。拷问单个细胞的身份，正为基础生物学带来新见解，也为药物发现带来新素材。美国医疗媒体STAT近日介绍了这方面的新进展。

寻找新的药物靶点

肿瘤的复杂性让人们颇为苦恼。它们既包含突变细胞，又包含健康细胞。尽管人们可通过显微镜或组织活检来确定组织是否癌变，但很难分离出哪些细胞是良性的，哪些可能逃避治疗，继续突变并引发转移。

Mission Bio公司的CEO Charlie Silver说：“从字面上说，这是达尔文的进化论。癌症不是一个突变，而是不同细胞上的多个突变共同驱动疾病发展。”作为加州大学旧金山分校的衍生公司，Mission Bio为医院、研究人员和制药公司提供单细胞测序服务。

大部分的临床测序工作都遵循平均法则，对整个细胞群体进行遗传分析。因此，这些细胞之间的微妙差异并不清楚，也很难分离出恶性程度最高的细胞。不过，正是这些微妙的差异，才造成每种癌症的独特病理。

Celsius Therapeutics公司的CEO Christoph Lengauer举了一个例子：“人口调查告诉我们，美国平均每个家庭有1.2个孩子。这根本没啥用。没有一个家庭有1.2个孩子。”相比之下，单细胞测序可以说明哪家有六个孩子，哪家只有一个。这家公司正在利用单细胞测序来寻找新的药物靶点。

单细胞测序的工作原理是：将癌症活检样本中的单个细胞分离，锁定在微流体芯片的迷你检测管中，然后通过一系列的酶和化学试剂处理从而释放遗传物质。此时，细胞被标上独特的“条形码”。之后，研究人员可以检测细胞是否携带特定突变，或表达与疾病相关的特定分子。

“如果我们的客户分析样本中的1万个细胞，他们经常会发现，患者在接受治疗之后仍会有少量残留细胞。这表示疾病仍然存在。这些群体最终会复发和发展，”Silver说。

Mission Bio正与美国的顶级机构合作 – 包括MD安德森、西奈山、国家癌症研究所和斯坦福癌症中心 – 通过患者组织样本寻找残留的癌症。单细胞测序有望帮助临床医生了解某种疗法是否针对特定的细胞类型。

发现新的人体细胞

当然，单细胞测序并不便宜。

10X Genomics是一家专门从事单细胞分析的生物技术公司，以7.5万美元的价格提供分析所需的微流体设备。这家公司的首席科学家Ben Hindson表示，研究1万个细胞所需的材料大约是1280美元，还要外加测序成本。即使价格不可忽视，但对于大型的实验室和制药公司而言，这并非遥不可及。

人类细胞图谱（Human Cell Atlas）计划就是一项为创建人体每种细胞类型的详细分类而发起的国际行动。它的部分资金来自Chan Zuckerberg Initiative基金会。随着一些成果的陆续发布，研究人员已经获得了一些有趣的新见解。

艾伦脑科学研究所的科学家Ed Lein正致力于揭开人类大脑的细胞组成。他表示，这个想法是对大脑皮层进行逆向工程，试图了解其中所有类型的细胞，然后了解它们如何连接在一起。

单细胞测序是他的秘密武器。他表示，这项技术的优势在于能够测定每个细胞中5,000到10,000个基因，并对数千个细胞同时开展分析。这项工作也取得了丰硕的成果。

今年8月，Lein团队宣布通过单细胞RNA测序发现了一种“玫瑰果神经元（rosehip neurons）”，这些细胞的轴突束就像吐露花瓣的玫瑰花。现有的结论表明，这些细胞似乎只存在于人体中，可能以一种非常特殊的方式控制信息流。

推动药物发现

此外，Celsius Therapeutics公司正利用单细胞测序来推动整个药物发现的过程。这家公司在今年的首轮风险融资中刚刚获得6500万美元，其研究对象是癌症和自身免疫性疾病。“我们认为，全基因组测序在这两个领域作用甚微，”CEO Langaeur表示。

相反，他的公司正在分析癌症等疾病中的单细胞RNA，以寻找药物靶点。他们还没有确定治疗方式，生物制剂和小分子药物都可以，但认为单细胞方法将很有启发性。

事实上，单细胞测序为药物开发开辟了一条全新的道路。（生物通 薄荷）