正如没有完全相同的两片叶子一样，世界上也没有一模一样的两个细胞。

作为生物体结构和功能的基本单位，每个细胞之间都存在一定程度的差异，而这些或多或少的差异必然会对生物体的功能产生不同程度的影响。通过普通转录组测序，我们能够获得组织/细胞群中基因的表达水平的平均值，却难以发掘到每个细胞间的基因表达的差异，也不能体现细胞间的异质性。

细胞图片

随着研究的深入，科学家们发现，探究细胞间的异质性对疾病发生机制研究、药物开发、靶向治疗等领域有着重要的影响，其在精准治疗领域有着巨大的潜力。

以肿瘤研究为例，位于肿瘤组织中心的细胞与位于边缘位置的细胞，其对应的细胞类型和细胞的表达水平往往是存在差异的。如果忽略这些差异，仅仅以肿瘤组织为单位进行研究，可能难以发现有效的治疗靶点，进而影响治疗效果。如果能够将研究及分析深入到单个细胞水平，先探究出细胞间的基因表达差异，再根据研究结果精确地用药，或许就可以取得更加理想的治疗结果。

医疗细胞实验

科学家们也一直在探索如何从单个细胞层面开展研究。早期，由于单细胞分离技术和测序通量的限制，一次实验只能检测到少数的细胞和其中少量基因的表达，不能实现大规模细胞数目和基因的丰度鉴定。直到2009年，北京大学的汤富酬老师在《Nature Methods》首次报道了一种基于高通量测序在单细胞水平下检测mRNA的方法，开创了单细胞转录组测序技术的先河。2016年，10x Genomics公司推出一次最多可捕获80000个单细胞的Chromium系统，使单细胞测序技术的临床上应用成为可能。

单细胞测序发展史

那么，10x Genomics Chromium系统是怎么实现的单个细胞分析的呢？系统利用微流控、油滴包裹和barcode标记等技术来实现高通量的细胞捕获，从而获得每个细胞的3’端的转录组信息。如下方流程图所示，Gel beads和细胞与酶试剂在 “十字交叉口”相遇后，一起进入油相，并被油滴包裹，形成一个个GEMs（Gel Bead-In-Emulsions）。GEMs流到储液器中并被收集，凝胶珠溶解释放Barcode序列，对样本进行标记。将所有GEMs的产物混合，构建标准测序文库。经上机测序分析，即可得到样本中细胞类型和基因表达的信息。

10x Genomics单细胞转录组工作流程图

借助单细胞转录组测序技术，科学家们可以更加全面地揭示疾病复杂性，使细胞个体与治疗效果之间产生更直接的关联，助力精准医学。 

单细胞测序与肿瘤

Nature:GD2-CAR T细胞疗法治疗H3K27M突变的弥漫性中线胶质瘤

H3K27M突变的弥漫性中线胶质瘤是常见的致命中枢神经系统儿科肿瘤，确诊后患者平均寿命10个月，5年存活率只有不到1%，目前放射性治疗是唯一疗法。2018年Nature medicine报道了双唾液酸神经节苷脂GD2在H3K27M突变的神经胶质瘤细胞上高度表达，并且证明了GD2介导的嵌合抗原受体（CAR）T细胞具有良好的临床疗效，为首次人体Ⅰ期临床试验提供了理论依据。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04489-4

研究通过单细胞转录组测序探究患者经过GD2-CAR T细胞注射治疗后产生的抗肿瘤反应中细胞组成的变化，发现4名患者中3名患者在静脉注射GD2-CAR T细胞后临床症状有所改善，证明了这种肿瘤细胞特异性疗法在恢复神经功能的潜力。GD2-CAR T细胞疗法有望成为这种致命癌症的新治疗方式，本文为该疗法的治疗方式优化奠定了基础。

单细胞测序与免疫

Cell：大规模单细胞转录组图谱揭示的COVID-19免疫功能

新型冠状病毒肺炎（COVID-19）爆发以来，给全球社会、经济带来了很大影响。认识和理解新冠肺炎发病机理对于诊疗与防控具有重要意义。但目前对相关免疫细胞还没有详细了解。

原文链接：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7857060/

研究对196例COVID-19患者和对照组的284份样本进行单细胞转录组测序，构建了146万个细胞的图谱。该研究发现除了传统认为的呼吸系统上皮细胞以外，多种免疫细胞中都检测到新冠病毒核酸序列。不同的上皮细胞在新冠病毒感染后表现出不同的差异基因表达。新冠肺炎重症病人外周血中有更高比例的增殖中的浆细胞与T细胞，而总体T细胞水平显著低于轻症病人或健康对照以及康复期病人。这些结果为理解COVID-19的发病机制和制定有效的治疗策略提供了丰富的资源。

单细胞测序与疾病

Nature Cardiovascular Research：单细胞转录组学揭示心力衰竭患者细胞类型特异性

心力衰竭是全球发病率和死亡率高的疾病之一，约有50%的心衰患者在确诊后5年内死亡。单细胞转录组学改变了科学家对细胞组成和相关基因表达的理解，识别细胞特异性疾病相关计划可能为开发心力衰竭新方法提供必要的见解和机会。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s44161-022-00028-6

研究对27名健康献血者和18名扩张型心肌病患者的单细胞和单核RNA测序数据的综合分析，定义了健康和衰竭心脏的细胞组成。确定了与年龄和心力衰竭相关的细胞特异性转录特征，并揭示了疾病相关细胞状态的出现。研究全面分析人类心力衰竭的细胞和转录组学信息，为人类心力衰竭的研究建立了宝贵的资源。

单细胞转录组测序的兴起，有力推动了疾病发病机制相关研究、为精准医疗提供了更有效的工具。随着技术的发展，除了单细胞转录组之外，单细胞技术还扩展到了时空组、免疫组、表观组、蛋白组等多组学水平，以多组学研究帮助科学家们更全面地观察细胞间的异质性、识别特定细胞及其功能，从更深层次解析科研数据和临床治疗的生物学意义，探索生命的奥秘。