单细胞捕捉技术(上)
原创 · 2015/04/11
制备单细胞测序文库首先面对的难点是获取高质量的单个细胞。除特殊的研究对象(低等单细胞生物、动植物生殖细胞、血细胞或者悬浮生长的细胞株)之外,多数情况下我们都需要将单个细胞从组织块中分离出来后单独处理。本文着重归纳单细胞的捕捉手段。

制备单细胞测序文库首先面对的难点是获取高质量的单个细胞。除特殊的研究对象(低等单细胞生物、动植物生殖细胞、血细胞或者悬浮生长的细胞株)之外,多数情况下我们都需要将单个细胞从组织块中分离出来后单独处理。本文着重归纳单细胞的捕捉手段。因个人能力有限,如有错误敬请谅解。关于从组织中分离单细胞的酶处理策略,网上已有系统的介绍(如Worthington Tissue Dissociation Guide),在此不作赘述。

  • 毛细管采集

对单细胞的研究在上世纪初就已经开展,当时的技术水平只允许在显微镜下用口吸式毛细管收集单个细胞。显微操作技术的应用随后改变了这种局面,精密设备解放了研究人员的口和手,使得这一过程更加安全、可靠和易控。然而,用这种方式获取细胞的效率仍然极为低下,一次操作通常只以获取少量单细胞为目的,而且过程可控性低不易重复。因此,该方法更适用于显微注射而不是单细胞研究。

  • 激光显微切割 (LCM, Laser Capture Microdissection)

相比其他需要分解组织以获取游离细胞的技术,激光显微切割有着无法比拟的优越性。该方法利用激光束精确切割组织切片,因此可以在获得单细胞的同时保存其在组织中的空间位置信息。但其劣势也同样明显。首先,LCM的通量较低,操作较复杂,无法胜任一定规模单细胞研究的需求。其次,因为细胞形态不规则,损失细胞质甚至是细胞核或是切入相邻细胞的情况时有发生。另外,在多数情况下细胞因为冷冻或FFPE包埋处理,在获取的同时已经死亡。活细胞LCM的应用目前还仅限于体外培养的细胞。所以,该技术在单细胞研究中的前景也比较有限。

  • 荧光活化细胞分选 (FACS, Fluorescence-activated Cell Sorting)

FACS是在单细胞研究中使用最为广泛的技术, 其高出其他方法几个数量级的筛选能力和富集细胞的特性让前面提到的技术望尘莫及。FACS在基础研究和临床中的使用已经成熟。但是,由于对已知免疫特征的依赖,它无法被用来筛选特征未知的异质细胞,而单细胞研究的主旨就是发现未知,这导致其在生物探索领域的功用存在缺憾。另一方面,FACS 的优势是富集具有同质免疫特性的细胞,但产物仍然是许多细胞的悬浮液,将其应用于单细胞分选需要比较繁琐的改进,且仍然缺乏简便有效的验证方法,对此目前还没有商业化解决方案。最后,FACS差选的本质带来了先天偏差,而设备的敏度、抗体的特异性以及样本自身的性质等因素往往使得偏差变得更加不可控,最终可能导致对生物现象的误读。除以上因素外,FACS的操作时间较长,操作环境对转录水平的影响也一直没有定论。

类似FACS,基于磁珠的单细胞分离纯化方法(MACS, Magnetic-activated Cell Sorting)也被开发出来。其原理也是基于抗体对细胞免疫特征的识别。但实验要求低,操作相对方便,对细胞的刺激也较小。其短板在于它只能实现正选和反选,即选择带有某种标记或不带标记的细胞,无法像FACS那样利用多通道设计更加精细的筛选方案。

单细胞测序技术虽然最近得到不少关注,开展相关实验的门槛却是人们不得不正视的一个问题。对大量单细胞进行单独测序文库制备的需求与高昂的测序费用之间的矛盾一直是让不少人感兴趣的话题。本篇提到的单细胞获取方案最终都要将单细胞置于微升级的反应容器中分别进行文库制备,而所需单细胞的数量和实验对象的复杂度成正比。所以,仅仅是试剂的消耗就可以很快上升到让人难以承受的程度。因此,利用微流控芯片分离并制备单细胞测序文库的方案很快就得到了广泛的关注。纳升级的反应体系不仅大幅降低了实验成本,还使单个细胞内及其稀少的模板浓缩,提高了实验的灵敏度和效率。此外,相关技术高度集成化和自动化,能满足同时处理大量单细胞的需求。下篇将介绍几种具有代表性的微流控芯片技术,并简评它们的应用前景。

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