單細(xì)胞測序技術(shù)實現(xiàn)高通量多重藥物篩選

藥物篩選是藥物發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵步驟，當(dāng)前的藥物篩選大多數(shù)是基于單一作用靶標(biāo)的單藥物篩選，靶細(xì)胞（腫瘤細(xì)胞）一旦產(chǎn)生耐藥性，針對單一作用靶標(biāo)的單一藥物對腫瘤細(xì)胞的殺傷性就會大大削弱。

而人體疾病的產(chǎn)生和發(fā)展往往伴隨著復(fù)雜的基因通路的改變，相比于單藥物，多重藥物可以通過作用于多個通路的多個靶標(biāo)從而發(fā)揮更好的治療效果，有著可降低耐藥性和疾病復(fù)發(fā)可能性的優(yōu)勢。

然而，由于待檢測藥物組合數(shù)量巨大，并且現(xiàn)有的基于細(xì)胞形態(tài)或細(xì)胞增殖率的表型分析策略相對簡單，導(dǎo)致目前已知的有效的藥物組合較少。

近期，深圳大學(xué)李自達(dá)助理教授與深圳市華大生命科學(xué)研究院劉亞副研究員合作，完成了利用單細(xì)胞測序和微液滴操控、實現(xiàn)高通量多重藥物篩選的工作。相關(guān)研究成果于近日以“Combinatorial perturbation sequencing on single cells usingmicrowell-based droplet random pairing”為題發(fā)表在Biosensors& Bioelectronics上。

該項工作得到國家重點研發(fā)計劃、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市海外高層次人才科研啟動經(jīng)費和深圳大學(xué)青年教師科研啟動經(jīng)費的資助。

在該研究中，研究團(tuán)隊使用基于微孔的液滴隨機配對實現(xiàn)對單個細(xì)胞的組合擾動并測序（CP-seq），通過在組合藥物處理下的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的變化來表征組合藥物對單細(xì)胞的基因擾動情況。

CP-seq利用連接了刀豆蛋白的寡核苷酸對藥物進(jìn)行編碼（圖1a），將藥物和細(xì)胞分別封裝在不同的液滴中（圖1b），在微孔陣列芯片上將細(xì)胞液滴與兩個藥物液滴隨機配對，從而完成對細(xì)胞的組合藥物處理和編碼標(biāo)記（圖1c）。

在隨后的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序中可以同時檢測單細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組信息和藥物編碼，用于解碼相應(yīng)的藥物處理條件（圖1d）。

圖1 CP-seq流程示意圖。（a）連接有寡核苷酸序列（藥物編碼）的刀豆蛋白對細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記；（b）細(xì)胞液滴的生成和藥物液滴池的生成與集合；（c）在微孔陣列上實現(xiàn)細(xì)胞液滴和隨機的組合藥物液滴的捕獲、配對及融合；（d）融合后的液滴進(jìn)行回收孵育后，液滴破乳回收經(jīng)過組合藥物處理后的被標(biāo)記的細(xì)胞來進(jìn)行單細(xì)胞測序，測序磁珠通過poly（T）尾巴同時捕獲mRNA和藥物編碼。

對液滴的穩(wěn)定***是CP-seq技術(shù)的基礎(chǔ)。因此，研究團(tuán)隊首先通過系列實驗優(yōu)化和表征了高度穩(wěn)定的液滴微流控***性能。研究團(tuán)隊利用注射器施加負(fù)壓的方式可穩(wěn)定生成尺寸可控的包裹不同內(nèi)容物的液滴（變異系數(shù)小于5%），并且在使用8000/μL的細(xì)胞密度下有著超高的細(xì)胞液滴利用率（97.9%的細(xì)胞液滴包裹至少一個細(xì)胞）。在液滴配對過程中，藥物液滴的尺寸是一個重要的參數(shù)。例如，當(dāng)藥物液滴的直徑為50μm而不是43μm時，只有20.4%的微孔捕獲了兩個藥物液滴，77.7%的微孔捕獲了一個藥物液滴。

在液滴捕獲、配對和融合過程中，高達(dá)83%的微孔利用率表現(xiàn)出CP-seq平臺良好的微流控液滴***性能。最后，研究團(tuán)隊進(jìn)行了電暈處理實現(xiàn)液滴融合的方式對細(xì)胞基因表達(dá)影響的探究，通過與對照組的UMAP聚類圖比較，發(fā)現(xiàn)電暈處理對細(xì)胞基因表達(dá)的影響可忽略不計。

圖2 液滴微流控的平臺性能表征。（a-b）細(xì)胞液滴和藥物液滴的顯微圖片和直徑分布直方圖；（c）每個細(xì)胞液滴內(nèi)細(xì)胞個數(shù)的分布；（d-f）細(xì)胞液滴的捕獲、藥物液滴的捕獲和液滴融合的顯微圖片，每個過程中的微孔利用率分別為99%、92%和90%；（g）不同尺寸的藥物液滴在藥物液滴捕獲過程中的差異；（h）單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)的UMAP聚類圖展示電暈處理對細(xì)胞基因表達(dá)的影響。

在驗證CP-seq具有良好的液滴***性能后，鑒于經(jīng)過選定的藥物單獨處理后的細(xì)胞的基因表達(dá)已經(jīng)有廣泛的研究，可以作為參考的標(biāo)準(zhǔn)，因此研究團(tuán)隊通過進(jìn)行單藥物處理來驗證CP-seq的可靠性。通過對細(xì)胞進(jìn)行不同孵育時間（4、8、12小時）的單藥物處理（3種不同濃度的4種藥物以及1組空白對照），研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)不同孵育時間下的細(xì)胞的基因表達(dá)具有顯著差異。

并且，隨孵育時間的提高，選定的抗癌藥物的目標(biāo)基因的表達(dá)量的變化趨勢和過往文獻(xiàn)中報導(dǎo)的一致，充分證明了CP-seq平臺在單藥物處理中的良好的可靠性。

圖3 通過單藥物處理驗證CP-seq的可靠性。（a）用于捕獲單一藥物液滴的微孔陣列芯片，大小孔具有不同的深度；（b）捕獲了細(xì)胞液滴和單一藥物液滴的顯微圖片；（c）在0、4、8和12小時的藥物處理條件下，對單細(xì)胞測序結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量控制；（d）UMAP聚類散點圖；（e）不同孵育時間下基因表達(dá)的熱圖，每列代表相應(yīng)孵育時間下的藥物處理條件；（f）代表性基因在不同藥物孵育時間下的基因表達(dá)變化。

最后，研究團(tuán)隊實施CP-seq的完整流程以進(jìn)行進(jìn)一步的驗證。13種藥物條件中的兩種可能的組合數(shù)量為78種。在非孵育組，共回收出71種藥物組合（圖4a），缺少的七種組合可能是在數(shù)據(jù)過濾中由于質(zhì)控不合格而被剔除。在孵育組***回收了47種藥物組合，這些組合的數(shù)量比非孵育組少，可能是由于組合藥物處理誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。

研究團(tuán)隊接著通過對細(xì)胞組分的基因富集分析來得到這兩個實驗組之間細(xì)胞組分的差異。結(jié)果表明，未進(jìn)行孵育組中富集到的基因類別主要與細(xì)胞核中的染色體有關(guān)，其基因具有有絲分裂等功能（圖4b）。相比之下，組合藥物孵育1小時組富集的基因類別主要是核糖體和線粒體成分，可能表明高細(xì)胞正處于高度應(yīng)激狀態(tài)。

然后，研究團(tuán)隊將組合藥物處理1小時與單一藥物處理4、8、12小時的轉(zhuǎn)錄組信息做比較，并通過火山圖展示（圖4c），其中，MALAT1、NEAT1和B2M等基因的差異表達(dá)充分證明CP-seq在組合藥物處理下分析細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組信息的能力。

圖4 通過組合藥物處理驗證CP-seq的可靠性。（a）和弦圖展示單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)中回溯出的藥物組合情況，分為未孵育組和組合藥物孵育1小時組；（b）未孵育組和組合藥物孵育1小時組的細(xì)胞組分的基因富集分析；（c）火山圖表示組合藥物孵育一小時的細(xì)胞與單藥物孵育 4 小時、8 小時和 12 小時的差異基因表達(dá)的比較。

綜上所述，實驗中使用的載玻片大小的微孔陣列芯片大約有26800個微孔單元，每個微孔平均可容納3個細(xì)胞，在20個微孔的樣本大?。▇60個細(xì)胞）情況下，一張芯片原則上可以同時進(jìn)行1300種藥物組合的處理。除了兩種藥物的組合外，在每個微孔單元中加入額外的小微孔，CP-seq就具有適用于測試多種藥物組合的潛力。因此，利用液滴微流控在高通量篩選中的優(yōu)勢，CP-seq可以在一次實驗中測試數(shù)千種藥物組合，有望成為一種用于高通量和深入分析的組合藥物篩選新技術(shù)，極大地促進(jìn)新藥物組合的發(fā)現(xiàn)。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.bios.2022.114913





審核編輯：劉清