細(xì)胞具有天然的異質(zhì)性
異質(zhì)性是細(xì)胞的天然特性之一,看似相同的一群細(xì)胞,其內(nèi)部有可能存在本質(zhì)的差別。這種異質(zhì)性是由很多因素造成的,除了各細(xì)胞所處微環(huán)境的差異以外,更多的是細(xì)胞內(nèi)在活動的一種表現(xiàn);通常,細(xì)胞的異質(zhì)性主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
在基因水平,基因組本身就存在多態(tài)性,各種突變、重組會引起不同細(xì)胞間基因組序列上的差異;此外,甲基化、乙?;缺碛^遺傳修飾上的差異也會引起細(xì)胞間基因表達(dá)上的不同;在轉(zhuǎn)錄水平,不同的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白的種類和活性各不相同,許多基因的轉(zhuǎn)錄還具有一定的隨機(jī)性。在蛋白水平上,不同細(xì)胞內(nèi)各個蛋白表達(dá)量和修飾狀態(tài)各不相同,各個信號通路狀態(tài)也有所不同,而這也會反過來影響基因的轉(zhuǎn)錄。
這些差異反映在細(xì)胞水平上就表現(xiàn)為細(xì)胞功能的異質(zhì)性。在基礎(chǔ)和臨床醫(yī)學(xué)研究中,這種異質(zhì)性是無法忽視的。一個典型的例子就是免疫系統(tǒng)B、T細(xì)胞成熟過程中的所表現(xiàn)出的異質(zhì)性,這種異質(zhì)性是免疫系統(tǒng)應(yīng)對復(fù)雜的機(jī)體內(nèi)外環(huán)境的基礎(chǔ);另外,在癌癥發(fā)生過程中,由于基因突變等事件具有一定的偶然性,癌癥組織也具有非常大的異質(zhì)性,這種異質(zhì)性也常常會成為臨床上癌癥治療的主要障礙之一。
單細(xì)胞分析是研究細(xì)胞異質(zhì)性的有效手段
研究細(xì)胞異質(zhì)性的關(guān)鍵就在于能否實現(xiàn)對單個細(xì)胞進(jìn)行較多參數(shù)的分析,這就是“單細(xì)胞分析(singlecellanalysis)”的概念。事實上,自從“細(xì)胞”學(xué)說被提出后,人類一直在努力尋求分析單個細(xì)胞的技術(shù)方法。但是,單細(xì)胞分析有一個巨大的挑戰(zhàn),那就是樣品量及其有限,一個典型的人類細(xì)胞僅含有約6.6pgDNA、10pg總RNA。從如此有限的樣品中獲取大量準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)無疑是一個巨大的挑戰(zhàn)。所以,傳統(tǒng)的高通量分析手段例如基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組學(xué)等,往往只能基于大量細(xì)胞進(jìn)行分析,得到的也是大量細(xì)胞的平均信息;而一些可以針對單細(xì)胞進(jìn)行分析的方法,例如免疫熒光、流式細(xì)胞術(shù)等,也會受到通道的限制,僅僅對少數(shù)幾種蛋白進(jìn)行分析,同樣無法深入分析其異質(zhì)性。
直到近幾年,隨著相關(guān)領(lǐng)域的一系列技術(shù)突破,“單細(xì)胞分析”的概念才得以實現(xiàn)。兩類技術(shù)在這過程中起到了先導(dǎo)作用,首先是測序技術(shù)的進(jìn)步,以illumina為代表的測序技術(shù)大大降低了測序成本,使在一個實驗中對多個樣本測序成為可能;其次,一些可以用于單細(xì)胞核酸樣本的擴(kuò)增技術(shù)(例如MDA擴(kuò)增基因組,SMART、TargetAmp可以擴(kuò)增轉(zhuǎn)錄組)的開發(fā),解決了單細(xì)胞核酸樣品量少的問題。這兩類技術(shù)的結(jié)合,實現(xiàn)了對單細(xì)胞基因組和轉(zhuǎn)錄組的測序,開創(chuàng)了組學(xué)的重要分支:單細(xì)胞基因組學(xué)(singlecellgenomics)和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)(singlecelltranscriptomics)。后來,隨著基于微流體芯片技術(shù)的C1單細(xì)胞全自動實驗系統(tǒng)和BiomarkHD(Fluidigm)的廣泛應(yīng)用,單細(xì)胞分析開始向自動化、更多細(xì)胞通量的方向發(fā)展。
與此同時,新的單細(xì)胞蛋白質(zhì)檢測技術(shù)也不斷涌現(xiàn)。其中,比較有代表性的就是質(zhì)譜流式技術(shù)(MassCytometry),通過特殊的金屬標(biāo)簽抗體,它可以實現(xiàn)在單個細(xì)胞上幾十個蛋白的同時檢測。
單細(xì)胞分析技術(shù)促進(jìn)了轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的發(fā)展
轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)是近年來在醫(yī)學(xué)健康領(lǐng)域出現(xiàn)的新概念,目的是為了縮短基礎(chǔ)與臨床之間的距離,促進(jìn)基礎(chǔ)研究和臨床研究成果的相互轉(zhuǎn)化。多參數(shù)單細(xì)胞測序分析在轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的研究中有著獨(dú)特的優(yōu)勢,這是由于臨床樣本具有其特殊性決定的。
臨床樣本也存在很大的異質(zhì)性,只有單細(xì)胞分析才能有效揭示這種異質(zhì)性;其次,很多臨床樣本量及其有限,在個別情況下甚至只有一個細(xì)胞可供檢測,單細(xì)胞檢測是可行的方法;此外,臨床樣本都是來自人的樣本,和實驗動物不同,對于人所能用的研究方法受到很大限制,因此要求我們在有限的樣本中盡量多的獲取數(shù)據(jù)。而多參數(shù)單細(xì)胞分析恰恰滿足了這種需要。目前,單細(xì)胞檢測已經(jīng)在轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用,突出表現(xiàn)在以下一些方面:
1)疾病早期診斷
用于疾病早期診斷或者預(yù)后相關(guān)標(biāo)志物的尋找,有效的指導(dǎo)臨床;甚至在一些案例中,單細(xì)胞測序分析技術(shù)可以直接做為早期診斷手段使用。
2014年年中,斯坦福大學(xué)利用質(zhì)譜流式技術(shù)對髖關(guān)節(jié)置換病人手術(shù)前后的免疫細(xì)胞進(jìn)行分析。經(jīng)過一系列細(xì)胞亞群和信號通路分析,研究者發(fā)現(xiàn)了病人單核細(xì)胞中的NK-b等數(shù)個通路分子激活與病人康復(fù)速度有很高的相關(guān)性?;诖耍芯咳藛T可以開發(fā)一套基于外周血的康復(fù)時間預(yù)測方法。
著床前胚胎遺傳學(xué)診斷(Preimplantationgeneticdiagnosis簡稱PGD)是避免有遺傳病史的父母生出遺傳缺陷嬰兒的重要手段。數(shù)據(jù)表明,這種胚胎單細(xì)胞基因檢測技術(shù)可以使體外受精獲得健康胚胎的成功率提高到99%,避免嬰兒出現(xiàn)唐氏綜合癥以及其他染色體異常等遺傳疾病。
2)疾病發(fā)生機(jī)制研究
多參數(shù)單細(xì)胞分析可以幫助研究人員深入分析正常或者病變組織的精細(xì)構(gòu)成,了解其在生理或病理進(jìn)程,發(fā)現(xiàn)組織中發(fā)揮重要作用的細(xì)胞亞群。這對于研究相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制具有非常重要的意義。
例如,德州大學(xué)MDAnderson癌癥研究中心對乳腺癌進(jìn)行了單細(xì)胞測序分析,通過對乳腺癌樣本中不同單細(xì)胞基因組的比較研究,發(fā)現(xiàn)乳腺癌發(fā)生過程中不同突變的出現(xiàn)的階段性;斯坦福大學(xué)Bendall等利用質(zhì)譜流式技術(shù)對正常人骨髓樣本中的不同分化階段的B系細(xì)胞進(jìn)行檢測分析,不但精細(xì)展示了B細(xì)胞發(fā)育成熟的過程,而且新發(fā)現(xiàn)了B細(xì)胞發(fā)育過程中的一個重要Checkpoint。
3)藥物作用機(jī)理研究
人體組織細(xì)胞具有復(fù)雜的異質(zhì)性,不同細(xì)胞對于同一藥物的反應(yīng)也具有差異。以往對藥物作用機(jī)制的研究主要是基于一些相關(guān)的細(xì)胞株或者細(xì)胞系,但是這并不能反映人體組織對于藥物的反應(yīng)。事實上,正是一些藥物對“非靶細(xì)胞”的作用,導(dǎo)致了藥物副作用的產(chǎn)生。單細(xì)胞測序分析可以研究這種異質(zhì)性,它可以幫助我們了解組織中不同細(xì)胞對藥物的反應(yīng)。
斯坦福大學(xué)的Nolan實驗室曾經(jīng)用Dasatinib(一種用于治療白血病的藥物)處理正常人骨髓樣本,利用質(zhì)譜流式進(jìn)行檢測,經(jīng)過細(xì)致的亞群和信號通路分析,觀察到了骨髓內(nèi)30多個不同亞群在藥物刺激時18個信號通路激活水平的改變。
近期,16屆基因組生物學(xué)進(jìn)展年會上(AGBT)推出Polaris單細(xì)胞實驗系統(tǒng),集成了單細(xì)胞的分選、捕獲、培養(yǎng)、給藥以及核酸樣品制備,為藥物機(jī)制研究增添了又一有力工具。
4)為實現(xiàn)個體化治療提供數(shù)據(jù)支持
臨床樣本的異質(zhì)性不但體現(xiàn)在樣品內(nèi)細(xì)胞的不均一,也體現(xiàn)在樣品之間的差異。單細(xì)胞測序分析也可以非常方便的對不同病人樣本進(jìn)行比較,找出不同樣本中具體的差別。這些數(shù)據(jù)可以成為制定個體化治療方案的重要依據(jù)。
目前,研究較多的就是各種類型的癌癥樣本的分析,先后有多個研究小組利用質(zhì)譜流式技術(shù)對白血病、乳腺癌、卵巢癌等進(jìn)行多參數(shù)檢測和分析,這些數(shù)據(jù)可以反映病人樣本間的差異。隨著該領(lǐng)域研究的逐步深入,個體化治療方案的制定將會有一個堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。?結(jié)語:
單細(xì)胞分析已經(jīng)漸漸滲透轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的諸多相關(guān)領(lǐng)域,隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步和普及,它將繼續(xù)推動基礎(chǔ)研究和臨床研究協(xié)同發(fā)展。從某種意義上說,在未來人類的健康將很大程度上取決與我們對于自身細(xì)胞的了解程度,因為,細(xì)胞是構(gòu)成生命基本單元,一切問題的根本都將歸結(jié)于細(xì)胞本身。