研发动态丨彩科生物：光电镊平台破译单细胞多组学“奥秘”
1958年，Francis Crick在发现DNA双螺旋之后，提出了中心法则概念，“The central dogma of molecular biology deals with the detailed residue-by-residue transfer of sequential information. It states that such information cannot be transferred back from protein to either protein or nucleic acid”。分子生物学的中心法则解释了遗传信息的流动，从DNA到RNA，再到蛋白质，也包括信息不会从蛋白质流向核酸的概念，当然近些年这也有几个例外，中心法则的内容也在不断更新完善中。
中心法则各环节引百家争鸣
中心法则的每一个环节，都吸引生物学家们不断探索，遗传信息的复制、转录、翻译、调控，从基因组学到转录组学再到蛋白组学和代谢组学，从组织器官到细胞群体再到单个细胞研究。
作为生命活动的基本结构单元，单个细胞是研究中心法则的最佳模型。不同组织的细胞结构和功能迥异，同一组织的细胞虽然结构功能类似，通过单个细胞的组学研究，依然具有多样的异质性。探索中心法则的组学技术发展，依赖于两条技术路线，一条依赖于核酸捕获扩增，反转录，蛋白检测等分子生物学，免疫学技术的升级，另一条是细胞分隔，从手工操作低通量到自动化高通量并行技术的发展。
单细胞基因组学非常好的诠释了分子生物学技术的不断进步（从92年的PEA到03年的MDA，再到MALBAC等）对单个细胞水平上研究细胞间基因组变异和功能理解的全面性。单细胞基因组的技术关键在于无偏差的对全基因组进行扩增（whole – genome amplification WGA），通过对引物的优化创新，和新的工具酶的挖掘，以及扩增条件的新策略，单细胞基因组的捕获效率逐渐升高。单细胞转录组学的发展则向我们展现了分子技术和微流控技术交错更迭，相互促进的优秀风貌。在cDNA的扩增上，经历了从末端加尾、体外逆转录到模板置换的方法发展，如今基于TSO的模板末端置换法依赖于其高效简便的二链合成方案，已经成为cDNA扩增的主流技术。单细胞转录组方法在高通量的发展过程中，隔离腔室引物配对经历了从显微操作、96/384孔板到油包水滴，再到纳米微孔以及固定细胞内腔（SPLiT-Seq）的发展，在通量和可行性提高的同时，成本也逐渐下降，目前已经成为肿瘤，免疫，发育等多个应用领域的标配。蛋白质是生命活动的执行者，对于蛋白质的检测，在生物学上则较为清晰，大体基于抗原抗体结合的Assay或者基于质谱的分析。而想要在单细胞水平上进行蛋白组学方面的研究，则依赖于流式、微流控等平台的整合和创新。
破译中心法则需论因果
从受精卵到一个生物个体的发育，即起源于一套遗传物质，但却能分化为形态各异，功能多样的细胞类型，而每一种细胞类型通过遗传物质的调控以及和环境的互作，最终形成了组织和器官等复杂结构和功能，这便是中心法则的魅力。中心法则是一个动态调控的连续过程，单一组学反应了某个时间点下细胞某一层面的信息，这一层面的信息对于细胞来说，要么是因，要么是果，而因果很难联系。比如单细胞转录组学，发表的文章大多是组织器官，微环境等表达图谱或者细胞聚类文章，我们知道了某个器官或者疾病类型表达图谱，或者细胞类型，这是因，然后由于缺乏后续蛋白质等层面的功能分析，很难在实际研发生产中有所建树。故大多数单一组学的数据都沉睡在不同影响因子的文章里，单细胞转录组学既没有在临床诊断中有所发现，也没有在药物靶点发现上广泛应用，而只是体现在了文章的影响因子上，随着文章越来越多，这一发文捷径也昭然若揭，不再起效。
即获得因，又拿到对应的果，则要求我们能够同时获得中心法则中各个层面的信息，即单细胞多组学的核心需求。而商家是最早嗅到这一商机的，10xGenomics和MissionBio都推出了基于Total-seq的蛋白联合转录组或基因组的技术，10xGenomics的Single Cell Multiome ATAC + Gene expression也已经上市，BD同样推出了结合单细胞测序的多组学平台，同时，2022年6月，率先将光谱流式细胞术与可分选成像相结合推出新品BD FACSDiscoverTM S8 细胞分选仪。通过整合光谱流式细胞术与实时空间和形态学信息，将细胞分析和分选的能力扩展到新维度而广受追捧。2021年于荷兰创立的UFO Biosciences，筛选、识别、分离和分析单细胞的服务，以找到真正有意义的基因。UFO Biosciences革命性功能性单细胞测序技术的基础工作发表在 Nature Biomedical Engineering。功能性单细胞测序可以在单细胞水平上将细胞表型与其驱动基因型直接联系起来。通过对大量细胞的实时行为显微成像分析，我们可以识别出表现攻击性行为的异常细胞。我们可以挑选并测序以了解驱动这些侵袭性细胞特定表型的分子途径。细胞的攻击行为是果，侵袭性细胞的驱动基因是因，因果联系，再遇到同样的果，就能从源头通过改变因来达到效果。
组学已至，联动在技
以上举到的例子，有膜蛋白和基因组，转录组联系的，有细胞成像行为和膜蛋白的联系或者和转录组的联系，局限于技术的法则，这些信息往往呈现某个局部特征。很难从中心法则的全局上获得较为全面的联动数据。然而，尴尬的是中心法则的每一层的技术，不管是基因组，转录组，蛋白组，细胞功能成像等，我们都有非常完备的方法独立获得，唯一要做的是将他们联系起来。前面提到，当生物学技术足够完善的时候，想要突破，就需要依赖于交叉学科例如微流控、材料、化学等多方面的结合。拿到单个细胞的每一个层面的信息非常简单，而想要将他们联系起来，则需要物理方法的连接，这就对单个细胞的操控提出了新的需求。
因此，彩科（苏州）生物科技有限公司提出了能够实现单细胞多组学的平台画像：
● 对成千上万个单细胞进行高度并行的自由操作，包括特定的细胞导入和导出
● 可以对细胞进行多维度的成像和实时监控，具有多个荧光通道，可实现多个蛋白的检测
● 高通量并行的单细胞可以实现长时间的培养及换液
● 能够对高通量的单细胞进行染色，清洗
● 可以并行导入高通量的单个磁珠同细胞配对，以捕获各种组学信息
● 能够对某些感兴趣的细胞进行分选导出分析其各种组学信息
多组学量身定制-光电镊千变万化
目前，对于单细胞的检测系统而言，样本从常规的组织变成了单个细胞，这就对检测灵敏度提出了新的要求，而微流控技术以其极小的反应体积，大大提高检测灵敏度，同时减小前处理中操作者带来的误差。微流控中单细胞操控的技术非常丰富，各种物理场都有很好的应用，包括通过流体驱动的单细胞阱、微阀门形成的单独反应器、电镊、光镊以及声镊等。由于微孔只有物理分隔的作用，对于细胞的提取复杂繁琐；而采用油包水的液滴方案，将液滴和微球等反应物包裹在液滴中同样达成了物理上的分隔，而且可以使用流体或电场控制液滴通过控制液滴的移动来控制细胞的移动，这样可以解决微孔阵列中无法操控细胞的问题，却失去了连续反应的能力。而基于介电润湿的技术在于移动液滴，通过移动包裹细胞的液滴来移动细胞。因此，同样存在液滴捕获细胞的问题，因此在高通量单细胞分析上不占优势。
最终，基于光电镊的技术，通过可见光照射光敏材料诱导产生非均匀电场介电泳力，推动Beads或细胞移动。这个方法可以结合上述方法中的优势，通过对百万级以上的光敏像素点的数字化控制，可以实现直接对于细胞和Beads的高度并行操控，同时可以对细胞的环境进行换液加样，进行连续的多种的反应，并通过成像方式实时监测细胞状态和增殖情况。
目前，国内唯一拥有该技术的是彩科（苏州）生物科技有限公司(以下简称:Lychix彩科生物)。
单细胞光导系统TARS
&
光导芯片Partition
Lychix彩科生物的单细胞光导微流控TARS系统，基于高度集成的纳升级细胞微环境光电芯片，实现了高通量单个细胞的显微成像，高自由度单个细胞的并行操控，高效率的细胞生长环境的液质及气体的交换，细胞长时间的培养追踪，以及任意视野下，指定细胞的自动分选导出，为广大的科研工作者提供了细胞操作分析分选相关的一系列的完整解决方案。能够使科研用户在芯片上轻松获得单个克隆/细胞，对单个克隆/细胞进行在单细胞水平下进行一系列的基于如细胞形态，细胞基因组学，功能表型的丰富的研究方案，同时科研完成特异性细胞亚群的分选富集，高产细胞系的回收和放大，目标细胞的生物学的功能研究，因此科研广泛应用于如单细胞多组学研究，抗体发现、抗体工程研究，工程细胞株筛选，T细胞功能研究/TCR-T筛选，功能基因组学/CRISPR 筛选，肿瘤免疫治疗研究，干细胞分离分化研究，类器官拓展研究以及合成生物学等领域。
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