单细胞测序技术简述
来源：万原点基金 2022-10-19
一、单细胞测序技术概况
传统的测序是基于细胞群体，提供的信息是成千上万细胞稳态的平均值。这种测序方法忽视了细胞的异质性（每个细胞的单一独特性），以及小群体细胞的重要功能。在生物体内的每一个组织中，都拥有着大量不同的细胞类型，每一种细胞类型有着独特的起源和功能，而它的谱系和发展的状态又决定了每个细胞如何和周围的微环境如何相互作用。比如同一肿瘤组织中的不同细胞内涵不同基因组和转录组等遗传信息，就临床诊疗来说，这种差异或将影响某种疗法对该肿瘤所起到的作用。
单细胞测序技术（Single-cell sequencing）是指获取单个细胞遗传信息的测序技术，即对单个细胞水平上，对基因组或转录组进行提取扩增和高通量测序分析。该技术能够揭示单个细胞独有的基因结构和基因表达状态，包括结构变异、拷贝数变异、RNA表达水平等数据，使不同细胞类型得以精确区分，有助于科学家在单细胞水平进行分子机制的研究。与传统高通量测序相比,单细胞测序不仅能够分析相同表型细胞的遗传异质性，还能获取难以培养微生物的遗传信息。
自2009年以来，单细胞RNA测序一直是推动生物医学研究进步的重要动力。尤其是近10年，单细胞测序出现了爆发式的发展和普及。2013年，《Science》杂志将单细胞测序列为年度最值得关注的六大领域榜首，《Nature Methods》杂志将单细胞测序的应用列为2013年年度最重要的方法学进展。2017年10月16日，与 “人类基因组计划” 相媲美的 “人类细胞图谱计划” 首批拟资助的38个项目正式公布，引爆单细胞测序新时代。近年来单细胞测序文献的持续快速增长。
二、单细胞测序技术市场规模
据Allied Market Research在2022年8月发布的报告显示，全球单细胞测序市场在2021年达到26.4亿美元，预计到2031年将达到136.2亿美元，复合年增长率为17.8%。
根据Allied Market Research 发布的一份 “单细胞测序市场” 的报告，单细胞测序市场在2021年达到了26.4亿美元，预计到2031年将达到136.2亿美元，复合年增长率为17.8%。
推动单细胞测序市场规模增长的关键因素是单细胞测序的技术进步以及制药和生物技术行业研发成本的增加。此外，干细胞研究的增长、个性化药物受到广泛关注以及癌症患病率的激增也是推动单细胞测序市场增长的潜在因素。单细胞测序目前较高的成本可能会阻碍短期内单细胞测序市场的增长。
根据企业访谈获取的信息来看，国内单细胞测序市场目前约为15亿元（按终端检测价格2万元/例计算），其中以10X平台开展的单细胞测序服务占市场总规模的90%以上，目前处于行业垄断地位。以墨卓、寻因、新格元、德运康瑞、M20、达普等为代表的国内单细胞厂商从2021年起陆续有设备和耗材产品上市并启动商业化，正处于进口替代和市场拓展的初期。
三、单细胞测序技术企业商业模式
从商业模式来看，国内的单细胞测序厂商主要分为两类，一类是以自有设备耗材研发为主线的产品提供商，国内外厂商如10X、BD、墨卓、德运康瑞、达普、M20等；一类是以提供单细胞测序服务为主要业务形态的科研服务商（目前单细胞测序以服务科研用户为主），国内厂商如诺禾致源、安诺优达、博奥晶典、百奥智汇、烈冰生物等。还有一类是像新格元、寻因生物这种起先以10X平台对外提供科研服务的厂商，后来逐渐推出自己的单细胞测序平台，既可以对外提供单细胞测序服务，又可以对外提供设备耗材。
单细胞测序在国内外主要的目标人群包括科研机构、高校、医院、诊断机构、以及生物技术公司和药企等。目前主要以科研市场为主，临床应用端还未有成熟的产品落地。
四、单细胞测序技术主要应用场景
未来从临床应用的角度来看，分为以下几类：
- 肿瘤亚细胞群测序：肿瘤发生、发展过程中，细胞不断发生新的突变，形成许多亚细胞群，单细胞测序可以对这些亚细胞群进行分别的测序，并找到对应的治疗方案。其中，循环肿瘤细胞（circulating tumor cell, CTC）无创性分子诊断无疑是最有有潜力的方向。在1毫升血液中只有几个 CTC细胞，所以想通过常规的测序方法是无法实现的。迄今为止，已有研究表明，可以用单细胞RNA测序技术来判断CTC细胞是黑色素瘤细胞还是前列腺癌细胞。这些分析能让肿瘤科医生相应地改变治疗方案，而具有干细胞样表达特征的循环肿瘤细胞的靶向清除可以防止继发部位的定植和转移的形成。除此之外，有些太小而无法使用批量测序方法进行分析的小肿瘤，也可以有效的通过单细胞测序来实现。
- 免疫细胞测序：免疫细胞在对抗原发生识别后，免疫细胞的基因组发生重排，并产生对抗原特异的抗体。对免疫细胞的测序，可以找出特异的基因结构，并发现新的免疫细胞群体，以及不同免疫细胞之间的相互作用，从而理解负责的免疫机制，为治疗提供理论基础。
- 体外受精的胚胎测序及无创产前检测：在把胚胎植回母体之前，先取一个细胞进行测序，确认基因正常后再植回，以保证胚胎是正常的。基于MALBAC扩增技术的单细胞测序已被应用于第三代试管婴儿，成为单细胞测序技术建立最早，发展最快的临床应用。产前检测的话，可以对胎儿的核红细胞和滋养层细胞进行测序。
- 神经类疾病的应用：在所有的疾病领域里，跟神经相关的疾病，包括老年痴呆，抑郁等一直都是最难攻克的，这和对发病机理的不确定性有很大的关系。而单分子测序提供了一种新颖的方法来对神经元细胞类型进行分类并在神经元群体中鉴定出意想不到的DNA多样性，以及其和疾病发展之间的关系。
- 临床微生物检测：利用从患者体内获取的微生物群，利用单细胞测序技术，一方面可以对无法在实验室培养的菌群进行深度测序，另一方面也可以直接进行感染的早期诊断和耐药检测。2017年，来自美国UCSF的研究组首次实现原核生物的微生物单细胞测序技术。
- 精准医疗：越来越多的研究表明，复杂疾病，比如肿瘤的彻底治疗一定是往精准医疗的趋势发展的。个体差异不但要求不同的治疗方法，个体差异导致的耐药性也意味着每一个特定的病人，在病情发展的不同阶段，会有独特的疾病进化模型，以及相对应的治疗方案。而这些都需要有单细胞测序的介入才能实现。
五、单细胞测序技术主要步骤
图片来源：寻因生物官网
单细胞样本解离是单细胞测序实验的第一步，解离步骤是相对比较成熟的实验环节，需要用到的设备主要是德国美天旎的组织解离仪等，ScRNA-seq对细胞悬液的质量要求非常高（细胞数量、活性、浓度、背景干扰等），通常单细胞测序平台对于样本的细胞活性要求要在80%以上，因此细胞悬液的制备只适用于新鲜组织或者冻存后复苏组织（主要是前者），这限制了ScRNA-seq的应用范围，对于一些特殊的样本比如FFPE、冻存样本、细胞直径较大的样本（如心肌、神经、骨骼肌细胞等）和自身含有一些酶类的组织（如肝脏、肾脏、胰脏等）的检测需要进行提核处理。
单细胞在解离之后将进入到分离阶段，目前市场上有两种主要的细胞分离技术，一种是以10X Chromium为代表的微流控（通常又称为微液滴、油包水法）法和以BD Rhapsody为代表的的微孔法。由于油包水法具有捕获效率高、操作简便等优势，目前市场上90%以上的市场使用的是10X的油包水技术体系。BD的微孔法相对油包水技术操作较为复杂，捕获效率较低，但是对于某些特殊样本，比如直径较大的心肌细胞、植物原生质体等，或者是对于细胞活性较小（60-80%）的样本，微孔法会是比较理想的解决方案。
六、单细胞测序及数代表性技术路径
10×Genomics技术介绍
10×Genomics公司推出的ChromiumTM系统其技术核心是油滴包裹的凝胶珠（Gel Bead in Emulsion, GEM）。该技术可以解决核心难点：快速高效分离细胞并将细胞和下一步反应所需试剂混合。该系统有75万种带有条形码的凝胶珠（barcoded gel beads），每个凝胶珠上有40-80万探针。每个探针含有四段各司其职的重要序列，下面对四段序列一一介绍。
带有条形码的凝胶珠通过横向孔道进入微流体“双十字”交叉系统，在第一个十字处，细胞通过纵向孔道运至交叉处，细胞与凝珠通过碰撞吸附在一起，继续行进至第二个十字处，进入油相，包裹形成油滴。通过此过程完成单细胞的分离和混合反应试剂的重要步骤，即含Barcoded RT Primers的Gel Beads、细胞和酶的混合物，三者结合形成GEMs，即包裹Gel Beads、细胞和酶的混合物的油滴。
资料来源：10×Genomics官网
GEM形成后，细胞裂解，通过一系列反应构建文库，构建好的文库即可通过高通量测序仪测序获得序列信息，根据序列的BC可将序列分至一个个单细胞，根据UMI，可去除掉PCR扩增引入的重复，获得每个基因的准确表达量。具体建库流程如下：1）凝胶珠溶解释放大量barcode序列；2）随后mRNA逆转录产生带有Barcode和UMI信息的cDNA；3）油滴破碎，cDNA为模板进行PCR扩增；4） cDNA打断、加测序接头等传统二代测序的建库过程。
BD Rhapsody平台
BD Rhapsody利用微孔进行单细胞分离，属于Microwell-seq，其利用铺满22万个直径50μm微孔的微孔板和携带细胞标签的直径为35μm磁性beads捕获细胞。将制备好的单细胞悬液铺至微孔板上，细胞靠自身重力沉降至微孔底部，沉降速度慢的死细胞和杂质在这一步会被冲洗掉；控制细胞数目，减少两个细胞落入一个微孔的现象（形成doublets）；接着将beads铺至微孔板，同样沉降至微孔板底部；冲洗掉多余的beads并加入细胞裂解液，细胞释放出的mRNA可以被PolydT的beads在微孔中捕获。利用磁铁回收beads到单管中进行后续逆转录、建库等操作。
资料来源：BD官网
BD微孔法对于设备性能要求较低，设备中没有气泵等复杂装置，主要的细胞分离流程在芯片中均可实现，设备更多起到支撑作用。
单细胞完成分离之后将进行建库、测序和后续数据分析，建库的步骤跟二代测序建库基本一致，但是为了保证整体测序结果的准确性，各厂商基本都会自己研发生产自己的建库试剂（酶、引物等）。测序方面，各家单细胞测序厂商基本都会适配目前市面上的主流NGS厂商设备，如因美娜、华大等，很多单细胞服务厂商都会和第三方测序服务公司进行合作完成后续测序流程。
七、单细胞测序技术相关知识产权授权与诉讼
2015年2月，Raindance和芝加哥大学在特拉华州地方法院对10X发起了关于其产品在7项专利上产生侵权的诉讼，2017年Bio-rad在收购Raindance之后成为了该案的原告，最终在2019年8月法院裁决10X需要支付3500万美元的赔偿款以及15%的专利使用费（截至2019年6月30日为1500万美元）。同时法院裁决禁止10X向新用户出售GEM微流控芯片和相关耗材，但可以向老用户出售GEM微流控芯片和相关耗材产品并支付15%的专利使用费。在面临专利诉讼之后，公司在2019年5月推出了NEXT GEM系列产品以应对产品禁售的风险。
2018年11月15日，BD在特拉华州地方法院对10X发起了关于其产品侵犯了BD的11项专利的诉讼，目前法院还没有对该诉讼作出裁决。2019年9月10X公司对BD进行了反诉。
2013年9月，10X公司从哈佛大学处获得了关于测序样本制备和单细胞分析技术的专利独家授权并按照专利所产生的收入支付一定比例的专利使用费。
根据项目调研了解到，目前国内单细胞测序厂商所使用的技术大多数出自于10X或BD技术体系，未来均存在较大的专利侵权风险，专利风险主要来自于10X、BD、Bio-rad以及哈佛大学David Weitz实验室等。
