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          全球首個人類細胞圖譜面世

          首個人類細胞圖譜的問世,將如何幫助我們理解人體細胞的生長規律?又將如何改善人們對癌癥等疾病的理解、診斷和治療?

          《中國經濟周刊》記者  陳一良 | 杭州報道

          (本文刊發于《中國經濟周刊》2020年第8期)

          獲得2002年諾貝爾生理學或醫學獎的英國生物學家約翰·薩爾斯頓(John Sulston),曾連續18個月用光學顯微鏡觀察線蟲的生長發育,并每隔5分鐘勾勒一幅觀察圖,他繪制的圖譜記錄和解釋了線蟲組織中細胞分裂和分化的過程。

          根據這些圖及其他大量信息,薩爾斯頓等人描繪了迄今為止多細胞生物種類中最為完整的一個細胞譜系圖,濃縮了線蟲近千個細胞的命運。

          隨著技術的進步和認知的累積,科學家對細胞的研究對象,從動物界轉向了人類自身,并采用最前沿的分子生物學技術。

          3月26日,浙江大學郭國驥教授團隊在國際頂級雜志《自然》上發布題為《Construction of a Human Cell Landscape at Single-cell Level》的重大研究成果,宣布繪制出首個人類細胞圖譜。

          該項目利用自主研發的單細胞分析平臺,通過高通量測序技術,系統性地繪制了跨越胚胎和成年兩個時期,涵蓋八大系統的人類細胞圖譜,建立了70多萬個單細胞的數據庫、鑒定了100余種人體細胞大類和800余種細胞亞類。研究團隊還搭建了人類細胞藍圖網站。

          細胞是生命的基本單位,人體中約有37萬億個細胞。它們通過分裂、生長,最終形成不同細胞類型,進而形成人體的各種組織。這些組織匯聚在一起就形成了人體的器官,例如心、肺、腦和肝臟。

          首個人類細胞圖譜的問世,將如何幫助我們理解人體細胞的生長規律?又將如何改善人們對癌癥等疾病的理解、診斷和治療?

          79 人體102 種細胞大類圖譜

          人體102種細胞大類圖譜

          人體細胞數字化

          人類細胞圖譜(Human Cell Atlas,簡稱HCA)是生命科學領域近年來興起的國際大科學計劃,被認為堪比“人類基因組計劃”。

          該計劃的基本目標是采用特定的分子表達譜來確定人體的所有細胞類型,并將此類信息與經典的細胞空間位置和形態的描述連接起來。該計劃的終極目標是確定人體中每個細胞的空間位置;通過細胞譜系確定在人的一生中每一時刻出現過的每個細胞;根據健康狀態、基因型、生活方式和外界環境的不同,對每一個個體細胞圖譜進行注釋。

          郭國驥認為,人類細胞圖譜就是人體細胞的數字化,首個人類細胞圖譜是人類細胞圖譜計劃里非常重要的階段性成果,構建了人類細胞圖譜的基本框架。

          “這項工作概括地說就是人體細胞數字化。我們能用數字矩陣描述每一個細胞的特征,并對它們進行系統性分類。我們定義了許多之前未知的細胞種類,還發現了一些特殊的表達模式。”

          通過這張圖譜,郭國驥團隊發現,多種成人的上皮、內皮和基質細胞在組織中似乎扮演著免疫細胞的角色。

          《Construction of a Human Cell Landscape at Single-cell Level 》一文的作者之一,杭州瑞普基因科技有限公司(簡稱“瑞普基因”)資深科學家林銳博士向《中國經濟周刊》記者表示,“首個人類細胞圖譜搭建起了一個研究架構,是邁向HCA計劃的一個里程碑式的成果,研究的方法、思路都可供業內借鑒,繪制圖譜過程中形成的數據庫,業內也可以共享,同行們還可以根據自己的特長和興趣在圖譜的基礎上展開進一步研究。”

          業內人士認為,此前的人類單細胞研究多是從某類組織或有特定標志物的細胞入手,而首個人類細胞圖譜的問世,意味著研究對象的進一步具體化和完整化。

          林銳評價,首個人類細胞圖譜的繪制不但完成了大量基礎性工作,也有不少細節上的亮點。

          “在繪制人類細胞圖譜的過程中,發現了不少突破業界的基礎認知,比如在人體血管內皮細胞上發現類似免疫細胞的基因表達,但目前還不知道這對免疫治療等方面的工作會有什么樣的作用,有待后期進一步研究。”林銳說。

          對于首張人類細胞圖譜的局限性,郭國驥并不回避。

          “我們的工作在測序深度上存在一定局限性,但是在跨組織和跨物種的數據可比性上有較大優勢。完美版的人類細胞圖譜還應該整合空間信息、多組學數據和人群分析,這需要全世界科學家的共同努力。”郭國驥說。

          現年37歲的郭國驥是浙江大學醫學院干細胞與再生醫學中心教授、博士生導師,浙江大學附屬第一醫院雙聘教授,浙江大學醫學院干細胞與再生醫學中心副主任,浙江大學血液學研究所副所長。

          2018年2月23日,郭國驥率領的團隊在國際頂級學術期刊《細胞》(Cell)發表學術論文,在世界范圍內構建了第一張哺乳動物細胞圖譜。其團隊對小鼠近50種器官組織的40余萬個單細胞進行了系統性的單細胞轉錄組分析,構建了首個哺乳動物細胞圖譜。

          該圖譜中涵蓋了哺乳動物體內的各種主要細胞類型,并對每一種器官內的組織細胞亞型、基質細胞亞型、血管內皮細胞亞型和免疫細胞亞型進行了詳細的描述。

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          81-2 近日,浙江大學郭國驥教授團隊在《自然》雜志上發布重大研究成果,宣布繪制出首個人類細胞圖譜,包括瑞普基因在內的多家企業參與其中。圖片來源:受訪者提供

          近日,浙江大學郭國驥教授團隊在《自然》雜志上發布重大研究成果,宣布繪制出首個人類細胞圖譜,包括瑞普基因在內的多家企業參與其中。圖片來源:受訪者提供

          測序技術是關鍵

          自從人類基因組計劃完成之后,我們初步掌握了“遺傳密碼”,但仍未能一窺自己的細胞圖譜。過去,科學家主要利用顯微鏡和流式分析等技術,依靠若干主觀選取的表型特征對不同物種的細胞進行分類和鑒定。

          近年來,單細胞測序等新技術的出現和快速發展,讓科學家對細胞的觀測能力進入全新的階段。在新技術出現之前,傳統的測序技術只能“看”到成群的細胞,單個細胞的特異性表現容易被忽略。單細胞測序技術的出現對傳統的細胞認知體系帶來了革命性的變化,并能夠對單個細胞內高豐度的基因轉錄物質進行無差別的分析,從而建立一個普適性的細胞分類系統。

          郭國驥團隊自主搭建了一套完全國產化的Microwell-seq高通量單細胞測序平臺。利用微孔矩陣、分子標記和擴增技術,高通量、高精度地實現單細胞水平分析,解決了傳統測序中單個細胞核酸物質少、容易丟失、分析成本高的難題。

          “以往分析一個細胞需要100元人民幣,而現在我們所研制的平臺只需要1元錢,而且精度比美國目前最先進的設備還要高。”郭國驥說。

          基于自主研發的單細胞分析平臺,郭國驥團隊對60種人體組織樣品和7種細胞培養樣品進行了高通量單細胞轉錄組測序。

          林銳說,單細胞測序的第一步是要把單個細胞分離開來,第二步是將細胞RNA轉換成可以測序的DNA,最后一步是對DNA進行高質量測序。“在首個人類細胞圖譜繪制的過程中,包括瑞普基因在內的多家企業與郭國驥教授團隊展開深入合作,協助團隊進行研究工作,特別是高質量測序工作,以加速研究進程,為首個人類細胞圖譜的問世做出了貢獻。”林銳說。

          林銳介紹,高質量的單細胞測序需要強大的設備支持。從2015年開始,瑞普基因在測序儀器方面投入巨資采購設備,其中HISEQ X測序儀單套設備價格就超過1000萬美元,公司全部測序儀的維護費用每年超過500萬元,國內僅有瑞普基因等少數幾家企業擁有高通量的單細胞檢測能力。

          瑞普基因建立了基于NGS的單細胞測序技術,可以一次性對高達上萬個細胞進行獨立的測序分析。林銳認為,國內相關企業數量仍然偏少,“目前單細胞領域的研究還沒有臨床應用,但未來的應用一定會非常普及,前景廣闊,這就像10年前的基因檢測研究一樣,極具潛力。”

          瑞普基因成立于2014年,是國家發改委批復的首批基因檢測技術應用示范中心,同時也獲得了國家衛健委(原國家衛計委)認證的醫學檢驗實驗室資質和美國病理學家學會(CAP)認證的實驗室資質,并且多次滿分通過了國家衛健委(原衛生部)臨檢中心多項基因檢測室間質評。

          精準醫療可期

          自2015年1月20日美國時任總統奧巴馬在國情咨文中提出“精準醫學計劃”后,“精準醫療”成為全球醫學界的熱門話題。所謂精準醫學,就是通過基因測序和大數據分析,了解基因序列以及疾病發生、發展、治療和預后的相關性,做到個性化的治療和預防。

          據林銳和瑞普基因研發經理濮悅博士介紹,每個細胞都攜帶有機體的一套基因組,如果有了基因序列圖譜,就有可能從中找到與各種疾病相關的“密碼”,加快對疾病發生、發展的理解,有助于疾病的診斷和個體化治療,因此,人類基因組計劃有著“生命登月計劃”之稱。

          2000年6月,人類基因組草圖的繪制工作完成,并最終繪制了一張類似化學元素周期表的人類基因組精確圖譜。

          對于此次人類細胞圖譜的問世,業內人士認為,未來臨床醫生可以通過細胞圖譜數據的比較,來鑒別異常的細胞狀態和起源,研究方法將對人體正常與疾病細胞狀態的鑒定帶來深遠影響。

          “我們現在建立的是正常細胞的單細胞轉錄組的數據庫,可以用于再生醫學種子細胞的鑒定。未來如推廣到疾病細胞圖譜,便有可能運用到疾病的單細胞水平診斷上。細胞圖譜的數據對于理解疾病的發生會有重要意義,但臨床治療方面的應用尚需要更多的積累。”郭國驥說。

          林銳也認為,人類細胞圖譜對研究生長發育問題、癌癥治療問題都將發揮基礎性的作用,“這個圖譜描繪的是正常的細胞狀況,如果將癌癥細胞和這個圖譜進行對比,就能發現一些問題,這顯然能夠為治療診斷帶來提示,未來單細胞測序有望給免疫治療做一個精準治療的指導。”

          人類細胞圖譜的問世對使用“細胞療法”來重新產生人體受損組織或將發揮巨大作用。比如帕金森,這種疾病主要由于大腦持續缺失能夠產生某種多巴胺的神經元而導致的。未來的一種治療可能性是在實驗室生產能夠產生特定多巴胺的細胞,再將它們注入人腦。

          對于未來人類細胞圖譜在精準醫療領域的應用,林銳頗為看好。

          “就像10多年前的基因檢測研究,當時基因檢測價格高,技術也不普及,現在技術進步已經很明顯,而且每年都會有新的變化,成本大大降低了,操作也越來越規范。在目前癌癥病人的靶向治療中,醫生一般會建議對病人進行基因測序,找出合適的藥物治療相應的患者,使藥效最大化,同時保證安全性。基因檢測指導靶向治療已經成為精準醫學的要求之一;在未來,隨著生物醫學發現的積累及單細胞測序費用的降低,臨床醫生有望通過單細胞分析的結果為患者提供精準的免疫治療。”林銳和濮悅說。


          2020年第8期《中國經濟周刊》封面

          2020年第8期《中國經濟周刊》封面

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