行研 | 单细胞测序—氪金党的神器,平民玩家的未来

前言

“氪金党”指在游戏中充值的玩家,通过购买装备、资源,快速提升战力。那如果氪金就能发高分文章,有多少人会现场扫码?单细胞测序就是这样一个无限接近“开挂”的付费道具,用10x平台做一个样本需要花费3万元,仅2021年氪金10x的文章就近12,000篇。2016-2020这五年间,共2,357篇单细胞转录组测序文章登上了Top50期刊,光《Cell》就斩获100多篇。

尽管每年诞生几万篇新的发现,单细胞测序仍处于氪金党的狂欢时间,多数实验室、药研企业乃至医院无法大规模使用。因循故例,参考人工智能发展,随着算法优化、AI芯片研发,AI training成本每年以10倍速度下降,带来的是AI如今走入手机、手表,撑起三千亿美元市场。

业内专家预测,单细胞测序未来五到十年将迎来成本的极速下降,走进“平民玩家”实验室,成为生科研究、药物研发、临床应用的常规道具。单细胞测序,是“平民玩家”的未来武器。


一、检查每行游戏代码的“逆天道具”

破坏游戏平衡的道具,都有“窃天之能”:NGS能够读取生命的底层代码,AI能够模拟人脑去思考。搭建生命的基本模块是细胞,单细胞测序做到的是把每个模块都拆解出来,挨个读取编码,甚至可以结合代码的功能,位置。这样,无论是定向破解还是游戏维护,都将变得极为简单。

 

传统的测序研究,获取的是细胞群体的总体平均特征。但如果单个细胞来,我们可以很容易地将他们细分为不同的类别。即使同一类型的细胞之间也存在异质性。比如在肿瘤组织中,各细胞的基因组和转录组等遗传信息存在差异,这可以决定疗法的有效性。

在细胞群体的测序中,数量稀少的细胞蕴含的低丰度特征往往被数量更多的群体特征掩盖,丢失特有的信息。并且细胞的遗传、表达信息与行为也无法联系起来,进行更深入的分析。

 

翻译一下:每一个细胞,都是独一无二的。以前我们做基因组和转录组测序,就好比细胞的大合唱,只能看平均水平。有了单细胞测序就不一样了,大家挨个独唱,谁滥竽充数谁在搞乱一下子就能看出来。

图1 单细胞测序得到每个细胞的信息,对生命认知更为准确

基于10x Genomics发表的文章总数已经突破23,000篇,每年的文章数量以2.4倍的速度增长。目前的研究单细胞测序研究覆盖肿瘤、免疫、神经、辅助生殖四大方面,用于理解单细胞水平上的生理和病理机制,找到新的诊断标记或治疗靶标,为改善疾病的诊断和治疗提供实践依据。

图2 单细胞测序研究见刊数量爆发

在2018年Science公布的十大科学突破中,单细胞测序位列十大突破之首。2019年,单细胞多组学技术被Nature Methods评为年度技术。到了2020年,与单细胞转录组测序相辅相成的空间转录组技术荣登Nature Methods年度技术。

图3 单细胞测序是近十年最受瞩目的技术突破


二、单细胞测序的爆发来自成本下降

2.1 微流控应用是过去五年成本降低的关键

自测序工具诞生起,单细胞的测序就不是个难想到的点子,难点在于高通量低成本分离细胞。最早的方法是手工分离单细胞,比如在显微镜下,用毛细管从各类样品中吸取单个细胞。其他如激光捕获显微分离、有限稀释法,本身分离准确性不高,每次处理的细胞数量少,时间、人力成本极高。并且,分离出来的细胞如果分别建库测序,随着待测细胞数增长,测序的成本也几乎呈线性提升,难以支撑高通量研究。

微流控可以在微米级结构中操控微小液体,与单细胞测序是天作之合。通过微流控技术将细胞输入油相孔道,形成“油包水”的液滴,可以在一块微米尺度的芯片上自动完成分离。Fluidigm公司率先将基于微流控的单细胞测序商业化,能够在几小时内捕获96个细胞,但并未解决上述通量与成本问题。

革命性的改变来自于哈佛大学教授David Weitz等发表的Drop-Seq技术。这篇2015年刊于Cell的研究,采用了微滴包裹单细胞的方案,并引入了标签(barcode)。通过给每个细胞打上独特的DNA序列标签,同一标签的信息就来自同一个细胞。这样,就可以只需要做一次测序,就能知道每个细胞的信息。利用Drop-seq技术,科学家可以在12小时内准备10,000个单细胞文库进行测序,每个细胞的成本约为6.5美分。

图4 单细胞测序通量变化

单细胞测序的龙头企业10x Genomics技术起源自Drop-Seq。含有标签信息的凝胶珠,在第一个十字路口遇到样本细胞并结合。在第二个十字路口,油滴将细胞和凝胶珠包裹起来,形成一滴滴的“油包水”液滴。单个的细胞即被捕获,随着后续细胞裂解,凝胶珠自动溶解释放大量标签,这些标签与mRNA相结合,每个细胞的遗传信息都被标记起来,可以用于后续测序。

图5 10x Genomics技术起源自Drop-Seq

自动化高通量设备的诞生极大地降低了单细胞测序的人力、时间、试剂成本,带来了近五年赛道的井喷式发展。10x Genomics领跑单细胞测序赛道,并位居近十年美股上市的创新生科工具公司榜首。其市值(2022年7月3日)是第二名Olink的2.8倍。

图6 近十年美股上市的诊断&生科工具市值(百万美元)

2.2 多管齐下,成本降低未来可期

除了测序成本超摩尔定律降低,随着建库技术优化、供应链国产化、设备自动化程度提高,单细胞测序成本也将进一步下降。

图7 单细胞测序成本下降空间巨大

(1)建库技术优化:众多研究致力于提升单细胞制备的通量。随着液滴生成技术优化、捕获效率提升,生成同等数量细胞的速度更快、试剂用量更少。混样测序是另一项黑科技。在给细胞打标签的程度上更进一步,给样本也打上不同的标签,可以将多个样本混在一起建库,减少测序次数。这项黑科技需要产生的单细胞数量成倍增长,同样依赖建库通量的提高。

图8 单细胞混样测序示意图

(2)供应链国产化:由于掌握定价权,并且生产基地不在中国,10x设备进入终端超百万元/套,建库试剂盒费用超万元/样本。国产单细胞测序工具企业的崛起,将冲击10x的价格体系。相关供应链(设备、试剂、微流控芯片、生信分析)国产化程度高的公司,将具备更大的竞争优势。

(3)自动化降低人工成本:单细胞建库系统并没有解决样本前处理以及设备间样本转移的问题,目前主要依赖人力。耗时耗力之余,一台设备每年只能处理100多个样本。未来全流程的自动化将带来更简便、高效的方案。


三、“平民玩家”未来撑起无限广阔的市场

3.1 未来十年精准医疗的引擎

所谓“平民玩家”的背后,是大规模、多场景应用的广阔市场。参考人工智能的应用,伴随成本下降,全球人工市场从2016年的600亿暴涨至近3,000亿美元。单细胞测序未来也将走入每一个分子检测实验室,成为精准医疗的必备工具。

暴涨的文章数印证了单细胞测序在科研领域的快速渗透。在药物研发领域,单细胞测序也已经在发挥举重轻重的作用。对于新药研发中涉及的一些关键问题,单细胞测序技术都体现出独特的优势,包括:新药靶点的发现及验证、确定新的分子标志物、新药适用群的精确查找、更好的联合用药方案的确定。

以新药靶点发现为例,经典的潜在药物靶点多在激酶、GPCR等分子上。通过单细胞测序,我们可以检测这些潜在药靶分子在不同细胞群体——如T cell、DCs、成纤维细胞等群体上表达的特征。从单细胞水平上重新评估经典药物靶点的表达,基于单细胞特异性进行理性地选择药靶分子,能够提高药物研发的效率和成功率。

比如在肿瘤领域,通过单细胞测序可以评估肿瘤的整体异质性和组成以及特定的特征(如每种细胞类型的免疫治疗靶点表达)。基于此,可以更理性、更准确地选择药物靶点,提供药靶成功率。

图9 单细胞助力药物靶点发现

在临床端,单细胞测序在单个细胞水平上解析人的遗传背景,为精准用药奠定了信息基础。单细胞测序技术也为伴随诊断和预后预测提供了潜在的分析标志物,使得用药的目的性更强,更有效,同时也降低了治疗成本。

2022年,全球第一的癌症研究所MD Anderson Cancer Center回顾了肿瘤的单细胞多组学研究,提出了肿瘤精准医疗的“组合拳”:在转录组水平上,单细胞测序已被用于了解免疫恶性细胞网络,以及肿瘤侵袭机制;在基因组和表观组水平,已分别用于研究肿瘤进化或转移中存在的基因突变。在蛋白质组水平上,单细胞测序已被用于识别生物标志物,用于用药指导或预后评估。并且,单细胞测序累积了大量综合数据库和地图集,可应用于各种相关研究。

图10 单细胞测序技术在肿瘤精准医疗的应用

3.2 微生物单细胞测序打开百亿美元下游市场

单细胞已经不局限在哺乳动物细胞测序,近期首次应用商业化微生物单细胞测序的文章发表于《Science》。微生物单细胞技术高效快速地解析单个菌株的遗传信息及表达,可以更容易地发现有价值的菌株,理解微生物遗传信息与功能的关系。应用场景的进一步拓展,有望重塑下游微生态药物发现及合成生物学。

图11 微生物高通量单细胞基因组学技术突破

真核单细胞技术应用于微生物须克服几大障碍。首先,细菌mRNA不包含真核mRNA中存在的3′ poly-A尾,而最常见的真核技术使用poly-A尾作为一个特征,这意味着必须开发一种富集mRNA的新方法。第二,与哺乳动物mRNA长达小时的半衰期相比,细菌mRNA的半衰期以分钟计,并且丰度大约低100倍。解决这一问题需要稳定这些短寿命和稀疏的mRNA,并且以足够高的速率捕获。最后,微生物细胞壁多种多样且难以裂解,需要开发新的裂解技术。

 

(1)单细胞测序助力微生态药物候选菌株挖掘:微生态被称为“人体第二基因组”,与肠道疾病、肥胖、糖尿病、肿瘤等发生密切相关。通过微生物或调节微生物生长,能够恢复人体微生态,恢复健康。目前,微生态药物市场空间超500亿美元,截至2019年,赛道累计融资超30亿美元。

单细胞测序技术能够发掘稀有物种基因组,将每个细菌与基因表达联系起来,帮助挖掘候选菌株。

图12 菌株挖掘是微生态药物研发的核心

(2)单细胞测序助力合成生物学DBTL循环:合成生物学通过编码细胞基因,让细胞为人类工作产生想要的物质。据McKinsey统计,全球60%以上的化学方法制造的产品都可以通过生物技术制造。合成生物学则可以在人类衣食住行方方面面进行应用开发和产品落地。合成生物学在医疗健康领域的应用广泛,涉及细胞免疫疗法、RNA药物、微生态疗法、基因编辑相关应用、体外检测、医疗耗材、药物成分生产和制药用酶等多方面。合成生物学下游产品市场2024年将超过180亿美元。

图13 合成生物学市场空间

在操作上,合成生物学将候选基因编辑入底盘生物(以微生物为主),测试菌株性状及生物合成效果,并持续优化,获得可用的物种。而单细胞测序通过高通量筛选菌株,能够建立微生物基因、功能信息库,用以搜索和优化候选基因,加速DBTL循环。

图14 DBTL循环大量测试编码效果,快速得到预期物种


四、结语

目前,国内单细胞测序企业百花齐放,有些侧重于科研服务,有些专注于工具。以科研服务见长的企业,可以在短时间内快速做大营收规模,但长远来看,因为与传统科技服务商形成激烈的竞争,这种商业模式对运营效率提出了巨大的挑战。对于专注在单细胞工具的企业来说,仍然是机遇与挑战并存。国内市场存在对10x的国产替代的机会。科服商作为10x最大的买家,得“科服者”得天下。然而,科服商对工具的性价比格外挑剔,这就要求工具类企业一定要精益求精,厚积薄发。至于挑战,科研应用面临市场的天花板,如何突破成为摆在各个企业面前的问题。有的拓展品类(空间组),有的拓展应用(临床诊断),甚至有的发现了一座新的金矿(微生物),可谓八仙过海,各显神通。

无论如何,单细胞测序已经掀起一场全球范围内的科研与诊断方式上的范式转移。随着成本指数级下降,将带来下游多场景井喷式爆发。单细胞技术,终将引领一场生命科学的革命。

单细胞测序相关公司

新格元生物成立于2018年,专注高通量单细胞多组学平台产品的自主开发及临床转化。公司成立后发展迅速,现已拥有国际领先的一站式高通量单细胞测序平台,提供从组织样本处理,高通量单细胞分离及测序文库构建,到数据分析和临床意义挖掘的全面解决方案。现有产品包括自主开发生产的自动化单细胞测序文库构建仪器,高通量单细胞测序试剂盒,靶向高通量单细胞测序产品,生信分析软件,及单细胞数据库。

 

墨卓生物于2018年诞生于哈佛校园,由哈佛大学三名博士联合创立,美国三院院士、Drop-seq技术发明人David Weitz领衔。2020年8月全球总部落地浙江嘉兴,另在美国波士顿设有创新与商务中心。公司核心技术源自哈佛大学Weitz实验室,基于硬核微流控技术打造单细胞测序平台,深耕科研、药研和临床诊断三大应用领域。公司已发布高通量单细胞测序解决方案,且为全球唯一的商业化微生物单细胞测序解决方案提供商。

 

百奥智汇成立于2018年,是一家具有全球视野的生物技术企业,公司具备国际前沿的单细胞测序技术,开发了快速、高效的单细胞组学分析方法,建立了国际上先进的单细胞组学数据库和交互性单细胞数据展示平台,拥有多项单细胞生物信息技术专利。百奥智汇致力于单细胞基因组学和生物信息学在人类疾病诊断和治疗上的应用,发现新的治疗和诊断靶标、创新治疗策略,创建人类疾病的精准图谱。

 

万乘基因成立于2018年,致力于采用更具操作便利性、设备功能性和试剂拓展性的液滴微流控技术,打造拥有国际先进高通量单细胞多组学技术平台。目前,万乘基因的液滴微流控单细胞测序仪Perseus,和配套推出的高通量转录组试剂,已进入内外部测试阶段。

 

德运康瑞成立于2020年,是一家全链条单细胞与空间多组学技术平台型企业,在苏州、厦门拥有超6000平米研发与生产基地。公司重点围绕单细胞富集与检测、单细胞测序、空间多组学技术,满足不同应用场景下的分析需求;公司聚焦挖掘在肿瘤精准医学、优生优育和药物发现领域的巨大潜力,致力于推动精准医疗向单细胞与空间多组学时代迈进,助力生命科学和临床医学,为人类健康事业贡献中国智慧。

 

参考资料:

1. 上海吉凯基因,从Top50期刊2000余篇文献,看单细胞测序热点和发文锦囊

2. Ark-Invest,AI Training Costs Are Improving at 50x the Speed of Moore’s Law

3. 挑圈联靠,单细胞测序正流行!师姐竟用它发了IF 10+的文章

4. Exponential scaling of single-cell RNA-seq in the past decade

5. Highly Parallel Genome-wide Expression Profiling of Individual Cells Using Nanoliter Droplets

6. 上海吉凯基因,单细胞混样测序——小经费也能轻松发表5分文章!

7. 百奥智汇,单细胞测序在药物研发和临床实验中的应用

8. High-throughput, single-microbe genomics with strain resolution, applied to a human gut microbiome

9. 广证恒生,见“微”知著—微生态药物春芽初茁,正值布局良机


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