人工細(xì)胞表型測(cè)試方法學(xué)的瓶頸和發(fā)展方向

針對(duì)活體無(wú)損、非標(biāo)記式、提供全景式表型、能分辨復(fù)雜功能、快速高通量且低成本、能與組學(xué)分析聯(lián)動(dòng)等挑戰(zhàn)，單細(xì)胞光譜成像與分選具有重要的特色與優(yōu)勢(shì)。這一貫通光譜學(xué)與遺傳學(xué)、連接單細(xì)胞表型組與單細(xì)胞功能基因組的橋梁，正在迅速延伸與拓寬。然而，其潛力的挖掘與實(shí)現(xiàn)還需要諸多方面的努力，同時(shí)也帶來(lái)了巨大的機(jī)遇。

基于光譜的單細(xì)胞表型組測(cè)量。一方面，多種熒光探針的并行或復(fù)合使用，能夠拓展在單細(xì)胞中同時(shí)檢測(cè)的靶標(biāo)分子數(shù)目；但是，由于多色熒光之間的相互干擾，多個(gè)基因功能表型的同時(shí)檢測(cè)仍然是重要挑戰(zhàn)。另一方面，盡管基于單細(xì)胞拉曼光譜的拉曼組能夠在無(wú)需探針的前提下測(cè)量底物代謝活性、產(chǎn)物譜、環(huán)境應(yīng)激等諸多表型，但是單細(xì)胞精度同時(shí)測(cè)量這些表型的“全景式”表型組分析尚需結(jié)合特定應(yīng)用進(jìn)行示范。同時(shí)，單細(xì)胞層面的表型測(cè)量不可避免地帶有基因表達(dá)的隨機(jī)性所引入的噪音，因此，這些噪音的定量和溯源，是從單細(xì)胞光譜表型推斷細(xì)胞群體或群落層面的表型、乃至區(qū)分單細(xì)胞狀態(tài)變化或基因型變化的關(guān)鍵。

“靶標(biāo)分子特異性”與“全景式表型測(cè)量”兼顧的單細(xì)胞光譜成像。基于熒光探針的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)分子的高特異性檢測(cè)是熒光光譜的特色，而拉曼光譜能夠?qū)ψ匀唤鐜缀跞魏渭?xì)胞直接分析多種表型，兩者之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、耦合使用，并證明“靶標(biāo)分子特異性”與“全景式表型測(cè)量”的兼容性，將大大拓展單細(xì)胞科學(xué)與單細(xì)胞技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，是很有前景的研究方向。例如，新近提出的生物正交標(biāo)記受激拉曼散射顯微活細(xì)胞成像技術(shù)，基于炔基單一化學(xué)鍵標(biāo)記的受激拉曼散射，突破了成像標(biāo)記基團(tuán)的尺寸極限；而且炔基報(bào)告基團(tuán)幾乎沒(méi)有拉曼背景干擾，即在拉曼光譜上“生物正交”。炔基代謝標(biāo)記生物分子技術(shù)和受激拉曼顯微成像技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞的脂類(lèi)、核酸、蛋白質(zhì)和糖類(lèi)的特異性拉曼成像。同時(shí)，熒光光譜和拉曼光譜的聯(lián)用在腫瘤檢測(cè)等方面已有一定應(yīng)用。此外，在單細(xì)胞水平，光譜參數(shù)與電學(xué)參數(shù)、力學(xué)參數(shù)等的并行測(cè)量與分選，將把單細(xì)胞表型組在合成生物學(xué)的應(yīng)用推向新的維度，并在動(dòng)物、植物、微生物等領(lǐng)域的高通量表型監(jiān)測(cè)和分子育種等方面作出重要貢獻(xiàn)。在基于光譜的單細(xì)胞表型組方面，除了多模態(tài)檢測(cè)與分選原理及核心器件的創(chuàng)新，人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)也將發(fā)揮不可或缺的作用。

單細(xì)胞“成像—分選—測(cè)序—培養(yǎng)—大數(shù)據(jù)”全流程的標(biāo)準(zhǔn)化與裝備化與智能化。首先，在一定程度上，對(duì)于拉曼、紅外等非標(biāo)記式光譜來(lái)說(shuō)，單細(xì)胞光譜信號(hào)質(zhì)量與細(xì)胞承受的激發(fā)光能量成正相關(guān)。因此，光譜采集可能對(duì)細(xì)胞及其核酸造成損傷，導(dǎo)致分選后單細(xì)胞培養(yǎng)成活率低、單細(xì)胞基因組擴(kuò)增的效率低，同時(shí)也阻礙了光譜采集—分選流程通量的提高。雖然我們的前期數(shù)據(jù)表明，流式拉曼檢測(cè)和微液滴包裹能激光照射后細(xì)胞的活性并且提高拉曼分選后核酸擴(kuò)增與測(cè)序的質(zhì)量，然而如何在保證細(xì)胞活性與信號(hào)質(zhì)量的同時(shí)，繼續(xù)大幅度提高測(cè)量與分選的通量，這仍需要?jiǎng)?chuàng)新的解決方案。另一方面，單細(xì)胞拉曼、紅外光譜的測(cè)量與分析的方法學(xué)還在不斷優(yōu)化中，其實(shí)驗(yàn)流程、計(jì)算分析以及數(shù)據(jù)等方面離標(biāo)準(zhǔn)化均還有相當(dāng)距離。因此，迫切需要通過(guò)業(yè)界的合作，種細(xì)胞類(lèi)型和應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)建立相應(yīng)的光譜采集與分析技術(shù)與裝備標(biāo)準(zhǔn)，為將來(lái)基于分子光譜的單細(xì)胞“表型組-基因組”大數(shù)據(jù)的大規(guī)模采集與共享奠定基礎(chǔ)。

此外，單細(xì)胞光譜測(cè)試設(shè)備的原理各異，故適合測(cè)量的細(xì)胞類(lèi)型與狀態(tài)也不盡相同。例如，由于光合色素的存在，光合細(xì)胞往往需要一個(gè)“淬滅”過(guò)程才能測(cè)量拉曼全譜，有可能影響分析與分選的速度。因此，構(gòu)建一套完全自動(dòng)化的合成生物鑄造平臺(tái)，還需要考慮光譜檢測(cè)原理與細(xì)胞性質(zhì)之間、各種表型測(cè)試設(shè)備之間，以及基因型設(shè)計(jì)和合成等環(huán)節(jié)與細(xì)胞表型測(cè)試環(huán)節(jié)之間，在工作原理、操作過(guò)程和分析通量等方面的不同要求。在此基礎(chǔ)上，借助大數(shù)據(jù)和云計(jì)算，一系列針對(duì)特定單細(xì)胞測(cè)試、分選、測(cè)序與培養(yǎng)需求的新型裝備與技術(shù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)將不斷涌現(xiàn)，以支撐合成生物鑄造平臺(tái)的規(guī)模化與智能化。