综述：单细胞RNA测序在疾病和治疗中的临床应用

《Clinical and Translational Medicine》：Clinical application of single-cell RNA sequencing in disease and therapy

本综述系统阐述了单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术在疾病机制解析、生物标志物发现及药物开发中的突破性应用。文章详细介绍了scRNA-seq的技术演进（如10× Genomics平台）、在多疾病领域（呼吸系统、代谢、心血管、肿瘤、自身免疫、神经退行性及感染性疾病）的关键发现，并探讨了与人工智能（AI）、空间转录组学（Stereo-seq）等前沿技术融合的未来方向，为精准医疗（precision medicine）提供新范式。

　　

单细胞RNA测序技术革新疾病研究范式

自2009年Tang等学者开创单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术以来，该技术通过捕获单个细胞的转录组信息，彻底改变了传统批量RNA测序（bulk RNA-seq）在异质性细胞群体分析中的局限性。scRNA-seq核心流程包括样本解离、单细胞捕获（如微流控滴滴系统）、转录本条形码标记、cDNA扩增及高通量测序，其技术变体（如10× Genomics Chromium系统）在灵敏度、通量和成本间各有侧重。

技术优化与数据分析挑战

样本制备质量直接影响数据可靠性，其中单核RNA测序（snRNA-seq）因其对临床样本保存的兼容性备受关注。数据分析需经历严格质控（QC）、降维（如t-SNE算法）及细胞亚群鉴定，而SEURAT、Galaxy Europe等平台为生物信息学分析提供支持。新兴技术如单细胞组合索引测序（SCI-seq）可实现低成本文库构建，而Microwell-seq更将检测成本降低一个数量级。

呼吸系统疾病细胞图谱重构

在哮喘研究中，scRNA-seq揭示重症患者外周血单核细胞（PBMCs）中CD4⁺ T细胞高表达JAK1、IL32等促炎基因，杯状细胞中NOS2上调驱动气道重塑。慢性阻塞性肺疾病（COPD）分析发现单核细胞线粒体功能异常，而特发性肺纤维化（IPF）患者血液中52基因特征谱与死亡率显著相关。肺动脉高压（PAH）研究则聚焦BMPR2突变与血管重塑通路异常。

代谢性疾病细胞异质性解析

通过scRNA-seq，肥胖研究识别出DPP4⁺脂肪前体细胞亚群，CYP2E1⁺细胞群调控产热活性。非酒精性脂肪肝病（NAFLD/MAFLD）研究中，库普弗细胞（Kupffer cells）与单核来源巨噬细胞呈现差异化免疫应答。糖尿病研究则精准定位胰腺α/β细胞中激素相关基因表达模式，并发现CADM1在1型糖尿病（T1DM）中的特异性表达。

心血管疾病免疫微环境解码

高血压血管重塑研究中，scRNA-seq刻画了血管平滑肌细胞（VSMCs）中FABP4高表达亚群。心肌病图谱首次鉴定活化成纤维细胞群，而动脉粥样硬化（AS）斑块内发现IL-1β⁺炎性巨噬细胞。川崎病（KD）患者则显示CD8⁺ T细胞比例失衡与树突状细胞（DCs）亚群扩增。

肿瘤进化与治疗抵抗机制

scRNA-seq极大推动了肿瘤微环境（TME）研究：循环肿瘤细胞（CTCs）克隆异质性提示肺癌预后，癌症干细胞（CSCs）中SOX9过表达驱动胃癌耐药。免疫检查点抑制剂（ICI）治疗响应与CD8⁺ T细胞亚型相关，而CAR-T细胞治疗成功依赖于记忆表型富集。整合基因组学还揭示染色体外DNA（ecDNA）促进尿路上皮癌免疫抑制。

自身免疫疾病靶点发现

类风湿关节炎（RA） synovial组织中发现THY1⁺HLA-DRA^hi成纤维细胞分泌IL-6，而MerTK^pos巨噬细胞调控炎症缓解。系统性红斑狼疮（SLE）患者肾脏细胞干扰素（IFN）应答增强，银屑病皮肤中CXCL13⁺ Tc17细胞替代IL17A成为疾病标志。炎症性肠病（IBD）研究则定位肠道上皮胎儿转录因子（TP53、MYC）重新激活。

神经退行性疾病细胞对话

阿尔茨海默病（AD）前额皮质单核测序显示小胶质细胞性别特异性转录失调，而帕金森病（PD）黑质区多巴胺能神经元（DaNs）中CADPS2异常表达。多发性硬化（MS）病灶中微胶质细胞亚型异质性通过RABID-seq技术关联星形胶质细胞互作。

感染性疾病宿主-病原体互作

新型技术BacDrop突破细菌scRNA-seq瓶颈，揭示肺炎克雷伯菌抗生素耐药性异质性。HIV感染模型中发现潜伏期CD4⁺ T细胞转录多样性，而新冠肺炎（COVID-19）研究通过ACE2/TMPRSS2共表达定位肺Ⅱ型肺泡细胞为病毒靶点。

药物开发多组学整合前景

scRNA-seq助力靶点 credentialing（如scCRISPR筛选）、患者分层（如克罗恩病抗TNF治疗响应模块GIMATS）及耐药机制解析（如水通道蛋白Watermelon模型追踪白血病持久细胞）。空间转录组（如MERFISH）与第三测序（TGS）技术结合，正推动从“虚拟细胞”构建到个体化治疗策略的跨越。

技术挑战与未来方向

当前scRNA-seq仍面临扩增偏倚、批次效应及数据整合复杂性等挑战。随着纳米孔测序、活细胞测序（Live-seq）及多组学（如scATAC-seq）技术的发展，结合AI算法优化，单细胞技术有望在精准医疗中实现从机制探索到临床转化的全链条突破。