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测序|行业前瞻 | “遍地开花”的单细胞测序，为什么这么火炎焱？

北京联盟_原题是：行业前瞻 | “遍地开花”的单细胞测序 ， 为什么这么火炎焱？
二代测序技术（NGS）在经过了多年的发展后逐步进入了较为成熟的阶段 ， 其发展历经了早期科研领域的飞速发展 ， 再到如无创产前检测（NIPT）和肿瘤伴随诊断等临床应用场景 。NGS技术也因此成就了一批上市公司 ， 而早在其热度仍局限于科研领域时 ， 很多投资人的眼光已经注意到了这一技术并遴选创业公司进行了投资布局 。历史的脉络证明了资本早期对技术思考和布局的重要性 ， 因此本期[行业前瞻]我们选择了现在仍属于科研热点领域的单细胞测序技术进行介绍和分析 ， 希望能侥幸一窥未来的走势 。
顾名思义 ， 单细胞测序就是获取单个细胞遗传信息的测序技术 。传统的NGS技术是对群体细胞的遗传信息进行提取和解读 ， 而现在我们已经知道 ， 同一个生物体不同的单个细胞彼此之间的差异也是巨大的 ， 因此群体细胞的测序结果可以理解为多个细胞遗传特征的混合平均 。举例来说 ， 人类个体由单个受精卵发育而来 ， 而在发育的过程中细胞逐渐分化直至变为不同的器官 ， 行使不同的功能 。虽然基因组层面上绝大多数细胞都还携带着一致的遗传物质 ， 但是转录组层面上 ， 细胞表达的蛋白种类可能已经天差地别 。
测序|行业前瞻 | “遍地开花”的单细胞测序，为什么这么火炎焱？
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循环肿瘤细胞的单细胞测序示意图
2009年 ， 现任职于北京大学的汤富酬教授作为第一作者发表了世界上第一篇单细胞mRNA测序的文章 ， 正式拉开了单细胞转录组学的大门 。经过几年的时间 ， 单细胞测序技术逐渐成型 。而后在2013年 ， 单细胞测序技术被Nature Methods评为年度技术 ， 同年Science杂志将单细胞测序列为年度最值得关注的六大领域榜首 ， 认为该技术将改变生物界和医学界的许多领域 。2019年单细胞测序被Nature期刊评为最值得期待的生物技术之一 ， 仅2020年开始至今单细胞测序相关的SCI论文已经超过1000篇 ， 可以说在近10年对生物学的许多不同领域产生了广泛影响 。
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显微镜下用口吸管挑选单细胞
单细胞测序技术的核心优势在于获取到了普通测序方法无法获取的遗传信息 ， 并由此揭露了单个细胞之间的差异 。借助单细胞测序技术 ， 从前无法直接测序的珍稀细胞如卵子、循环肿瘤细胞（CTCs）等细胞的基因组和转录组信息得以直接获取 。而大规模的单细胞测序也帮助我们揭示了同一块肿瘤组织不同位置的差异 ， 甚至于是胚胎细胞发育成个体的全部变化过程 。单细胞测序技术的核心技术壁垒在于DNA/RNA的扩增技术和能否实现高通量处理 ， 其下游测序的平台普遍依然是NGS测序仪 。在技术发展早期 ， 为了获取单个细胞需要在显微镜下通过口吸管提取细胞 ， 这一操作对手法和经验要求极高 ， 且耗时随着细胞数目的增加直线上升 。随着高通量单细胞测序技术的发展和普及 ， 大样本量的单细胞测序研究才进入历史舞台 。
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Gel Bead结构
【测序|行业前瞻 | “遍地开花”的单细胞测序，为什么这么火炎焱？】谈到单细胞测序的高通量化 ， 不得不提的平台就是10X Genomics 。其技术核心包括两部分：Gel Bead和油包水微液滴生成系统 ， 后者也是微液滴法数字PCR仪（以Bio-Rad的产品为代表）的核心技术 。Gel Bead由凝胶珠和磁珠上的一段引物构成 ， 引物序列中包含一段每个Gel Bead都各不相同的10X Barcode ， 用以区分不用的单细胞 。将细胞悬液进行充分稀释后经由微流体“双十字”交叉系统 ， 形成微液滴和Gel Bead结合的GEM（Gel Beads-in-emulsion） 。这一过程产生的90-99% GEM不含有细胞 ， 剩下的绝大部分GEM含有单个细胞 。GEM依次形成后全部混合 ， 细胞裂解 ， 凝胶珠自动溶解释放大量引物序列 ， 并完成DNA/RNA的扩增 。该8通道系统每个通道最高可捕获10000细胞 ， 8通道一次可检测细胞范围为500-80000个细胞 ， 且对细胞形态没有要求 ， 也无需人工操作 。因此该平台面世以来广受各界关注 ， 目前已经成为使用率最高、应用范围最广的高通量单细胞测序平台 。


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