來自單個(gè)細(xì)胞的測序信使RNA分子提供了對這些細(xì)胞生命的一瞥，揭示了他們在特定時(shí)間所做的事情。然而，進(jìn)行這種分析所需的設(shè)備很麻煩且不能廣泛使用。麻省理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)已開發(fā)出一種便攜式技術(shù)，能夠快速準(zhǔn)備許多細(xì)胞的RNA以便同時(shí)進(jìn)行測序，他們相信這種技術(shù)可以更廣泛地使用這種方法。這項(xiàng)被稱為Seq-Well的新技術(shù)可以讓科學(xué)家更容易識別組織樣本中發(fā)現(xiàn)的不同細(xì)胞類型，幫助他們研究免疫細(xì)胞如何對抗感染以及癌細(xì)胞如何應(yīng)對治療，以及其他應(yīng)用。

“而不是試圖選擇一個(gè)定義細(xì)胞類型的標(biāo)記，使用單細(xì)胞RNA測序，我們可以進(jìn)入并查看細(xì)胞在給定時(shí)刻表達(dá)的所有細(xì)胞。通過在細(xì)胞中找到共同的模式，我們可以找出那些細(xì)胞是，“Alex K. Shalek，Hermann LF von Helmholtz職業(yè)發(fā)展助理教授，健康科學(xué)與技術(shù)，化學(xué)助理教授，麻省理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)研究所成員。

Shalek和他的同事們在過去幾年中一直在開發(fā)單細(xì)胞RNA測序策略。在這項(xiàng)新研究中，他與麻省理工學(xué)院科赫綜合癌癥研究所化學(xué)工程副教授J. Christopher Love合作，創(chuàng)建了一種新技術(shù)，可以快速分析大量細(xì)胞，設(shè)備非常簡單。

“我們將他的技術(shù)與我們的一些技術(shù)相結(jié)合，使得那些希望在一系列不同臨床樣本和環(huán)境中進(jìn)行此類測序的研究人員可以輕松獲取這些技術(shù)，”Love說。“它克服了更廣泛采用這些技術(shù)所面臨的一些障礙。”

Love和Shalek是2月13日出版的“ 自然方法”中描述新技術(shù)的論文的高級作者。該論文的主要作者是研究助理Todd Gierahn和研究生Marc H. Wadsworth II和Travis K. Hughes。

快速分析

人體中的大多數(shù)細(xì)胞僅表達(dá)其基因組中發(fā)現(xiàn)的基因的一小部分。這些基因被復(fù)制到信使RNA分子中，也被稱為RNA轉(zhuǎn)錄物，它指導(dǎo)細(xì)胞構(gòu)建特定的蛋白質(zhì)。每個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá)譜根據(jù)其功能而變化。

對來自血液或組織樣品的許多個(gè)體細(xì)胞的RNA進(jìn)行測序提供了基于基因表達(dá)模式區(qū)分細(xì)胞的方法。這為科學(xué)家提供了確定細(xì)胞功能的機(jī)會(huì)，包括它們在疾病中的作用或?qū)χ委煹姆磻?yīng)。

對大量細(xì)胞進(jìn)行測序的關(guān)鍵是跟蹤哪些RNA轉(zhuǎn)錄物來自哪個(gè)細(xì)胞。最早的技術(shù)需要將細(xì)胞分選到多孔板的單個(gè)管或隔室中，然后分別將每個(gè)細(xì)胞轉(zhuǎn)化為測序文庫。

該過程效果很好，但無法處理含有數(shù)千個(gè)細(xì)胞的大樣本，如血液樣本或組織活檢，每個(gè)細(xì)胞的成本在25美元到35美元之間。Shalek和其他人最近開發(fā)了微流體技術(shù)，以幫助自動(dòng)化和并行化該過程，但所需的設(shè)備數(shù)量使其無法輕松運(yùn)輸。

Shalek和Love一起從事過其他項(xiàng)目，他們意識到Love之前開發(fā)的用于分析單細(xì)胞蛋白質(zhì)分泌的技術(shù)可以用于便攜式設(shè)備快速，低成本地進(jìn)行單細(xì)胞RNA測序。

在過去幾年中，Love的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種微型系統(tǒng)，可以分離單個(gè)細(xì)胞并測量每種細(xì)胞分泌的抗體和其他蛋白質(zhì)。該設(shè)備類似于一個(gè)小冰塊托盤，每個(gè)單元都有獨(dú)立的隔間。Love還開發(fā)了一種稱為微型掃描的過程，使用這些托盤可以容納數(shù)萬個(gè)細(xì)胞，以測量每個(gè)細(xì)胞的蛋白質(zhì)分泌物。

為了使用這種方法對RNA進(jìn)行測序，研究人員創(chuàng)建了納米孔陣列，每個(gè)納米孔都捕獲單個(gè)細(xì)胞和條形碼珠以捕獲RNA片段。納米孔用半透膜密封，允許細(xì)胞分離所需的化學(xué)物質(zhì)通過，同時(shí)RNA保持包含。在RNA與珠子結(jié)合后，將其移除并測序。使用此過程，每個(gè)單元的成本低于1美元。

揭開未知數(shù)

與先前的單細(xì)胞RNA測序技術(shù)類似，Seq-Well過程捕獲并分析每個(gè)細(xì)胞中RNA轉(zhuǎn)錄物總數(shù)的約10%至15%。

“這仍然是一組非常豐富的信息，可以映射到幾千個(gè)基因，”Love說。“如果你看一下這些基因的集合，你就可以根據(jù)共同表達(dá)的基因組開始理解那些細(xì)胞的身份。”

在本文中，研究人員使用Seq-Well分析被稱為巨噬細(xì)胞的免疫細(xì)胞，這些細(xì)胞被結(jié)核病感染，使他們能夠識別不同的已有人群和對感染的反應(yīng)。Shalek和他的實(shí)驗(yàn)室成員也將該技術(shù)引入南非，并分析了那里感染TB和HIV的患者的組織樣本。

Shalek說：“擁有一個(gè)可以隨處可見的簡單系統(tǒng)，我認(rèn)為這將是令人難以置信的授權(quán)。”

Love的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在正在使用這種方法來分析食物過敏患者的免疫細(xì)胞，這可以幫助研究人員確定為什么有些人更有可能對治療過敏的療法做出很好的反應(yīng)。“慢性病仍然存在很多未知因素，而這些類型的工具可以幫助你發(fā)現(xiàn)新的見解，”Love說。

該研究小組還與Dana-Farber /哈佛癌癥中心的臨床研究人員合作，將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于發(fā)現(xiàn)新的聯(lián)合免疫療法，以治療癌癥，這是橋梁項(xiàng)目合作伙伴關(guān)系的一部分。