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专注液滴微流控技术,万乘基因致力高通量单细胞多组学测序的应用普及

来源:动脉网 2019-08-06 18:02

 

2001年2月12日,参与人类基因组计划的六国科学家公布了人类23对染色体DNA大规模测序的精确图谱。这是人类首次从分子视角探索生命的奥秘,而这项被称为生命科学“登月计划”的研究也成为推动精准医学发展的基础性力量。

此后一段时期,包括华大基因在内的大批基因检测企业应运而生,他们输出了海量的人体微观数据。然而,随着人们对疾病认识不断深入,基于多细胞测序获得的数据已经不能满足一些复杂疾病诊断所需的颗粒度水平。

2016年10月,全球顶级科学家在英国伦敦启动了人类细胞图谱计划(Human Cell ATLAS,HCA),这项计划将测定人类全身40万亿个细胞中每种细胞的独特身份信息,并根据细胞间的协作路径绘制三维人类基因图谱。单细胞测序技术是HCA计划实施的重要底层技术。

与基于大量细胞样品提供平均化了组学数据的传统测序方法不同,单细胞测序可以获取关于样品中每一个细胞的所有组学数据,明确样本中包含的细胞类型,并记录别个细胞所发生的特定变化。因此,单细胞技术对于生物医学的革命性意义可以和显微镜的发明相比较,二者都可使研究者真正看到单个细胞的细微差异。

施威扬教授从2015年开始研究单细胞测序技术,这距离该项技术首次被用于胚胎细胞研究刚刚过去6年时间。施教授告诉动脉网,尽管单细胞测序已经走过了完全依靠人工手动操作的最早期阶段,但即使自动化了的单细胞测序仍是一项技术门槛非常高的工作。

“现阶段,单细胞测序还没有办法让研究人员通过简单培训就上手操作,但科研和临床中对这项技术确实存在刚性需求。”让更多的研究人员能够使用单细胞测序技术,并推动这项技术快速走向标准化,正是施威扬教授创办万乘基因的初衷。

2018年2月,在同济大学和中国海洋大学任教多年后,施威扬教授积累了丰富的单细胞测序技术前沿应用经验,他决定成为国内单细胞测序技术推广的先行者。

随后,施教授与他本科期间在清华大学生物系的同学吴子牛先生联合在北京成立了万乘经纬基因科技(北京)有限公司,简称万乘基因,公司致力于推动高通量单细胞多组学测序技术实现标准产品化,为客户提供稳定的单细胞测序服务。

成立一年后的1月,万乘基因获得合力投资的500万天使轮融资,而后快速启用新实验室,并推出了多种单细胞组学的服务。施教授告诉动脉网,在前期并没有主动出击做市场的情况下,公司已经服务了国内的近30家客户,其中包括医院、研究机构、测序企业和工业企业。

目前,万乘基因对外提供科研服务,并满足临床科室的生物学问题研究需求。此外,万乘基因自主设计的微流控设备原型机已经设计完成,将陆续向用户提供使用,并持续改进至量产标准。

应对个体疾病细胞水平差异的精准医疗2.0时代

施威扬教授认为,基于单细胞测序实现的直接针对病变细胞的疾病个性化诊疗对是基于个体基因组信息的精准医疗的迭代,是为精准医疗2.0。精准医学2.0认为,每个个体的每种疾病都是独特的存在,每位患者的病况、疾病进展及对应的细胞病变类型各不相同,对应不同的药物需求。当前,单细胞测序在临床上主要应用于包括肿瘤免疫治疗在内的复杂疾病病变细胞的精准诊断与治疗。

复杂疾病的致病机理往往涉及多种细胞病变,在没有准确掌握细胞层面真正病因前,单一疗法通常只对特定的某种细胞产生作用,大量的其他类型细胞则不会响应,这大大降低药物的疗效。如果能够一次获得细胞的所有信息,就可以基于有针对性的诊断制定个性化的治疗方案。

据施教授介绍,单细胞测序技术已经在肿瘤免疫疗法、自体免疫疾病(如多发性硬化)、复杂神经系统疾病(如阿尔兹海默症)等方面得到应用,研究人员在单个细胞中发现了指向疾病的特定病变。

目前,最近非常火热的肿瘤新抗原疗法成为单细胞测序技术与临床应用进行早期结合的一个应用方向。肿瘤新抗原是一种纯个体化的治疗方案,每个人的肿瘤上面都有特异性的抗原,研究人员由此预测新抗原,并进行针对性治疗。新抗原的存在性和抗原性检测是基于DNA而非基因表达做出的,这就需要结合单细胞测序来确定新抗原的表达强度,从而实现快速筛选。

据施教授介绍,万乘基因正在与多家研究新抗原的公司探索用单细胞测序技术作为工具,检测肿瘤的单个细胞中是否表达了他们预测出来的抗原。

不过,由于单细胞测序技术本身尚存在诸多瓶颈,并且测序成本高、耗时长,操作难度大,尚无法大规模替代多细胞测序,“单细胞测序只有实现了与多细胞测序相近的便捷度和成本效益,才能够在更多的研究和分析得到应用。”

基于液滴微流控技术的高通量多组学单细胞测序技术

将单个细胞放入管道中,完成标记、建库、测序等一系列操作后得到这个细胞的组学信息,即是简化了的单细胞测序流程。其中,标记与建库在很大程度上决定了测序的通量。

科学家们采用了多种方式尝试将大量的单细胞进行标记,争取每个细胞都有独特的标记(Index),而这个标记是一段barcode DNA可以在测序中读到,从而将每条Reads单独归为某个单细胞,实现对单细胞数据的区分读取。

2015年,液滴微流控和微孔板这两项当前主流的高通量单细胞测序标记和建库技术几乎同时数出现。在国内,大多数从事单细胞测序研究的早期公司都是采用了微孔板标记路线。

然而,由于微孔板技术只能对细胞进行分离,基于微孔板的高通量单细胞技术只能用于转录组测序,没有其他组学应用。万乘基因则选择更加具有扩展性的液滴微流控路线,核心技术是在微液滴中实现大量单个细胞的标记、测量和评价。

现有市场上的高通量单细胞测序技术主要的瓶颈是组学技术单一,只能应用于少数几种组学。施威扬教授告诉动脉网,万乘基因的目标是开发所有组学的单细胞测序技术,最终实现一次性同时测定细胞中的多种组学信息。

目前,万乘基因已经能够实现转录组、基因组、ATAC、甲基化、ChlP、蛋白组、免疫组的高通量单细胞测序。与对标的美国单细胞测序标杆企业10×Genomics相比,万乘基因在基因组、甲基化、ChlP、蛋白组测序中表现更为优异。

现阶段,万乘基因既提供科研服务,又提供上游的仪器设备和试剂。施威扬教授表示,在所有人能够用好单细胞测序技术之前,需要专业公司提供专业的测序服务。不过,提供标准化的高通量单细胞多组学测序产品才是万乘基因追求的真正目标,施威扬教授告诉动脉网,万乘基因的愿景是成为顶层的技术提供商。

据了解,万乘基因正在进行第二轮融资,目标金额2000~3000万元,资金将主要用于开发新的组学产品和市场拓展。施威扬教授表示,万乘基因计划扩大国内更大规模的科研服务市场中影响力的同时,在今年内推出包括ATAC和甲基化的表观组单细胞测序产品,,并针对免疫治疗和抗体研发等推出免疫组测序等临床和工业应用。

此外,万乘基因将启动“肿瘤多组学计划”——征召20名肿瘤治疗前沿领域的研究者,应用高通量单细胞多组学技术开展深度临床科研合作。(生物谷Bioon.com)

 

 


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