人體由數(shù)十萬(wàn)億個(gè)細(xì)胞組成,即使在同一塊組織中,細(xì)胞與細(xì)胞之間也存在著巨大的異質(zhì)性。傳統(tǒng)的生物學(xué)研究往往是將成千上萬(wàn)個(gè)細(xì)胞混合在一起進(jìn)行測(cè)序或分析,得到的是所有細(xì)胞的“平均值”。這就好比把合唱團(tuán)的所有聲音混在一起,我們無(wú)法分辨出其中某個(gè)走音的歌手。為了真正理解生命的過(guò)程、疾病的起源(特別是腫瘤和免疫反應(yīng)),科學(xué)家必須將目光聚焦到“單個(gè)細(xì)胞”上。而這一切的前提,就是單細(xì)胞分離技術(shù)。
單細(xì)胞分離,顧名思義,就是從復(fù)雜的組織樣本中,將一個(gè)個(gè)獨(dú)立的細(xì)胞完好無(wú)損地提取出來(lái)。這并非易事,細(xì)胞極其脆弱,機(jī)械破壞、營(yíng)養(yǎng)缺失或環(huán)境改變都可能導(dǎo)致其死亡或基因表達(dá)改變。目前,單細(xì)胞分離技術(shù)已經(jīng)發(fā)展出多條路徑,各有千秋。
流式細(xì)胞熒光分選技術(shù)(FACS)是經(jīng)典的高通量方法。它將細(xì)胞懸液包裹在微小的液滴中,通過(guò)激光束時(shí)檢測(cè)細(xì)胞的熒光標(biāo)記和散射光特征,給符合目標(biāo)的液滴充電,使其在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中落入特定的收集管。這種方法速度極快,每秒可分離數(shù)萬(wàn)個(gè)細(xì)胞,但需要較大的樣本起始量。
微流控技術(shù)則是近年來(lái)單細(xì)胞領(lǐng)域的明星。以Drop-seq或10x Genomics為代表的微流控芯片,利用油水不相容的原理,將細(xì)胞和帶有條形碼的微珠包裹在納升級(jí)的油包水液滴中。每個(gè)液滴成為一個(gè)獨(dú)立的微型反應(yīng)室,實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞分離與基因測(cè)序標(biāo)簽標(biāo)記的同步完成。這種方法極大地降低了單細(xì)胞測(cè)序的成本,推動(dòng)了單細(xì)胞組學(xué)的大爆發(fā)。
此外,還有激光顯微切割(LCM)和光鑷技術(shù)。光鑷?yán)酶呔劢辜す馐纬商荻葓?chǎng),像一把無(wú)形的鑷子一樣“夾住”目標(biāo)細(xì)胞進(jìn)行移動(dòng),實(shí)現(xiàn)了無(wú)接觸的物理分離,特別適用于稀有細(xì)胞或循環(huán)腫瘤細(xì)胞(CTC)的抓取。
單細(xì)胞分離技術(shù)的突破,改變了生物醫(yī)學(xué)的研究范式。在腫瘤學(xué)中,醫(yī)生可以通過(guò)分離腫瘤組織中的不同細(xì)胞,揭示耐藥細(xì)胞的特征,制定精準(zhǔn)的靶向治療方案;在免疫學(xué)中,科學(xué)家可以追蹤單個(gè)免疫細(xì)胞在應(yīng)對(duì)病毒感染時(shí)的克隆演化過(guò)程;在干細(xì)胞研究中,分離出特定狀態(tài)的干細(xì)胞是開展再生醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)。