单细胞分析-优势，挑战和应用

即使在最小的细胞群中也存在异质性。能够在个体水平上分析细胞意味着您可以更全面地了解“逐个细胞”的关键变化，而不是在种群水平上进行分析。拥有单个和多单元级别的信息可以确保您更准确地捕获关键见解。

最近，我们采访了Sphere fluics公司研发副总裁Marian Rehak博士，以了解更多关于单细胞分析的重要性。Marian介绍了一些常见的挑战，并重点介绍了一些关键的应用程序。

Laura Lansdowne (LL):为什么在“单细胞”水平上进行分析如此重要?

Marian Rehak (MR):有必要在多细胞和单细胞水平上研究细胞，以给科学家一个平衡和全面的图景。细胞间变异是健康组织和病变组织或多细胞生物的一种自然特性，这对当前的药物发现和开发、诊断和预后提出了重大挑战。

对整个细胞群的统计分析提供了整个细胞群的平均反应，并不能完全代表任何一个细胞，包括罕见的变异。所以，种群的平均值可能掩盖了单个细胞的反应。在试图建立准确的疾病模型或阐明患者对特定疗法的反应时，这种异质性是一个主要挑战。从根本上说，对来自异质群体的单个细胞进行分析可以减少生物噪声，并提供研究和表征稀有细胞的能力。

在做单细胞分析的时候会遇到什么挑战?

先生:单细胞分析的主要挑战之一是单细胞的初始分离和培养。细胞活力是下游分析和进一步细胞生长所必需的。然而，细胞通常不是单独存在的，很难独立培养。细胞受到周围环境和细胞间相互作用的严重影响。经过处理和分离的单细胞不再处于原生环境中，这可能导致对人工环境的非自然反应。此外，分离过程可以诱导非预期的细胞应激，改变细胞的行为、活力和特征。

单细胞分析的另一个限制是处理能力，因为分析群体中的每个细胞需要以高通量的方式处理数十万到数百万个单细胞。

要了解细胞群的复杂性，需要从各个方面进行分析。然而，单细胞分析的多路复用可能是棘手的，因为许多分析技术在这个过程中会破坏细胞，从而导致不准确的结果。

在异质人群中区分生物噪声是很困难的。单细胞分析可以帮助克服标准分析中的这个问题。

随着单细胞分析方法和平台的进步，产生的数据显著增加。分析单细胞产生的详细数据是一项挑战，例如单细胞测序提供了大量的信息，需要专业的生物信息学分析和解释。对于大多数数据，很难将关键的表型或分子反应联系在一起。

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先生:新技术正在开发中，以温和的方式分离细胞，以帮助确保细胞的活力。这些技术包括利用微液滴技术的细胞打印机和微流控平台，如Cyto-Mine^®单细胞分析系统(球流体)，保护单个细胞免受剪切应力。

灵活地对单个细胞进行多次分析，或对单个细胞进行连续评估，可以深入了解其动态变化。

此外，在单细胞分析中利用人工智能可能能够发现数据的趋势，例如诊断，以支持疾病的早期发现。

今天李华学了两个常用语:单细胞技术。

先生:应用程序的清单是广泛的;许多行业受益于了解单个细胞的细微差别，或者对来自单个克隆的种群有要求。

在生物制药的发现和开发中，生物制剂的生产对单细胞有内在的需求。国际人用药品技术要求协调理事会(ICH)规定，确保生物制剂来源于单一克隆源，以确保生产的一致性和质量，减少种群异质性，并最大限度地减少基因组的不稳定性。类似地，诱导多能干细胞应该来源于单一祖细胞，以确保产生的群体具有相同的遗传背景。

单细胞技术的关键应用之一是检测来自大型异质群体的稀有细胞。这使得筛选和分离有价值的，罕见的B细胞用于抗体发现，以及高表达单细胞用于细胞系发育，有助于提高进入生物制剂供应链的速度和效率。此外，单细胞分析还可用于诊断，以检测隐藏在外周血中数百万个红细胞和白细胞中的极少数循环肿瘤细胞。

单细胞技术的使用极大地促进了我们对肠道微生物群的理解。微生物细胞的单细胞测序有可能确定肠道细菌的特定功能，为微生物菌株的复杂变异如何影响疾病提供了见解。同样可以应用于环境应用，例如具有所需特性的稀有土壤细菌的修复和筛选，以及海洋微生物的筛选。从这个来源找到“正确的”微生物可能被证明对各种应用都是有益的。

其他应用领域包括使用合成生物学来产生有价值的克隆，精确的基因组编辑和研究细胞-细胞相互作用以阐明疾病机制或发现新靶点。

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先生:目前用于单细胞分析的技术有四种，即单细胞成像仪、单细胞测序、流式细胞术和微流体液滴技术平台。

单细胞成像系统

它们通常扫描单个细胞或细胞群，以识别特定的细胞类型，或者使用荧光或比色探针，检测特定蛋白质或细胞特征的存在。它们对表型鉴定很有价值，但通常非常缓慢，有些可能相当昂贵。

单细胞测序

单细胞测序提供了数据丰富的结果，在生物信息学分析后，提供了对整个人群基因表达异质性的详细洞察。通量相对较低，每次实验大约只分析几百个细胞。然而，当与微流体技术相结合时，这可以极大地提高吞吐量到数万，但与其他技术相比，这仍然相对较低。

流式细胞术

流式细胞术是一项高度成熟的技术，具有令人难以置信的高通量，每秒可测量约70,000个事件。它提供了一些分析功能。然而，由于任何分泌的分子都可能扩散到细胞外环境，因此不可能有信心地进行细胞分泌测定。虽然冷捕获分泌分析确实提供了保留在细胞表面的分泌蛋白的见解，但这些并不是实时测量的。流式细胞术的另一个缺点是，该过程依赖于在处理前标记感兴趣的细胞或靶标，需要事先了解靶标。此外，在分选过程中施加的高剪切力可能导致脆弱的原代细胞的损失。

微流体液滴技术

微流态液滴技术提供了小型化规模的高通量单细胞分析，以及分析能力。液滴提供了一个微反应室，可以捕获分泌的抗体或其他分泌的生物分子，与流式细胞术相比，可以进行超灵敏和快速的检测，流式细胞术只能测量细胞表面相关或扩散的分子。

液滴技术可以很复杂地应用到易于使用的集成平台中。然而，Cyto-Mine^®它采用了Sphere fluics公司的专利picodroplet技术，是一个集单细胞筛选、分拣、分配、成像和克隆验证于一体的自动化平台。它每天可以处理多达4000万个细胞，并评估和分离那些产生特定抗体或蛋白质的细胞，以帮助简化工作流程，提高生物制剂发现和细胞系开发的吞吐量。

Marian Rehak博士接受了科技网络科学作家Laura Elizabeth Lansdowne的采访。188金宝搏备用