單細胞多組學技術已成為生命科學的有力工具，但一個精準、低損傷、廣譜適用、簡捷的目標表型單細胞獲取手段，是靶向性單細胞基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組或代謝物組分析的先決條件。近日，青島能源所單細胞中心發(fā)明了光鑷輔助靜態(tài)池成像分選技術（OPSI），能“所見即所得”、保持細胞原位活性、高通量地分選明場、熒光、拉曼成像下的目標單細胞，支撐高質(zhì)量的單細胞基因組/轉(zhuǎn)錄組測序。該技術對于細菌、古菌、真菌、動植物、人體等各種大小的細胞均廣譜適用。相關工作發(fā)表于微流控領域國際權威期刊《芯片實驗室》Lab on a Chip。
OPSI技術服務單細胞多組學研究
明場圖像、熒光圖像、拉曼光譜均可反映細胞豐富的表型信息，匯集上述信息并具備單細胞精度索引、所見即所得特點的單細胞分選技術，在單細胞分析工作中具有廣泛的適用性。單細胞中心前期基于單細胞拉曼光譜技術，開發(fā)出液相環(huán)境中測量與分選菌群中目標微生物單細胞的拉曼分選-測序技術RAGE-Seq（Raman-activated Gravity-driven Encapsulation and Sequencing；Xu et al., Small, 2020）。該技術可在無需標記條件下，通過拉曼光譜獲得整個單細胞的化學物質(zhì)指紋圖譜，從而迅速識別活體單細胞的生理特性和代謝產(chǎn)物變化等，更重要的是借助其小體積分離反應的特點，可從單個細胞中得到幾乎完整的全基因組信息，對微生物的功能鑒定和資源開發(fā)具有重要意義。然而該技術操作過程稍顯繁瑣，分選通量較低，對于大批量的單細胞分選與分析存在一定的難度。為解決上述問題，單細胞中心徐騰博士、李遠東博士帶領的研究小組，基于青島星賽生物的單細胞微液滴分選系統(tǒng)EasySort Compact，在RAGE-Seq技術的基礎上開發(fā)了基于OPSI的新一代的單細胞分選耦合培養(yǎng)/測序策略。不同于流式分選技術中細胞逐個流過窄通道后成像篩選的原理，OPSI提出了一種靜態(tài)池成像分選的思路，即在微流控芯片中構(gòu)建流速為0的穩(wěn)定靜態(tài)流場，對樣本細胞進行限域，并在該流場內(nèi)進行平面明場、熒光成像或拉曼掃描，選取目標細胞。之后通過低細胞損傷的1064 nm光鑷將目標單細胞移出靜態(tài)流場，并進行單細胞液滴包裹導出完成分選。
該系統(tǒng)使細胞能夠以精確索引的方式進行分類，“所見即所得”，并廣泛適用于從細菌、古菌到人體細胞等不同尺寸大小的單細胞（直徑1 ~ 40 μm）。驗證試驗表明，OPSI的單細胞分選準確率> 99.7%，保證10~20細胞/min的分選通量，并高度保持了細胞活性。此外，OPSI繼承了RAGE小尺寸分離反應的特點，顯著降低了傳統(tǒng)單細胞基因擴增中存在的歧化現(xiàn)象。例如，使用該系統(tǒng)分選人體MCF-7單細胞進行RNA-seq，可獲得高質(zhì)量和高可重復性的單細胞轉(zhuǎn)錄組譜。OPSI的通用性、方便性、靈活性和低成本等優(yōu)勢，為其在單細胞多組學研究中提供了廣闊的應用前景。
基于OPSI的上述特色，單細胞中心和青島星賽生物合作推出了自動化、智能化的單細胞微液滴分選系統(tǒng)（EasySort Lego/Compact）系列產(chǎn)品，并與國際顯微鏡和顯微光譜儀領軍產(chǎn)商（如賽默飛Thermo Fisher Scientific、堀場HORIBA等）合作，在全球科學儀器市場進行推廣。
該工作由單細胞中心馬波研究員和徐健研究員主持，與青島星賽生物合作完成，得到了國家重點研發(fā)計劃、山東省自然科學基金委和國家自然科學基金委的資助。（文/圖 徐騰 劉陽）
