期刊：Science China-Life Sciences
影響因子：8.0

scRNA-seq已成為一種強大的工具，使科學(xué)家能夠深入探索單個細(xì)胞的復(fù)雜領(lǐng)域，揭示它們獨特的分子特征。利用scRNA-seq，研究人員現(xiàn)在有能力深入研究細(xì)胞多樣性，研究發(fā)育生物學(xué)，仔細(xì)審查疾病進展，并以前所未有的精確度推進藥物開發(fā)。這種方法為揭示新的生物標(biāo)志物、精確定位治療靶點以及開辟通往個性化醫(yī)學(xué)的道路提供了新的可能性。在本節(jié)中，我們將闡明并討論scRNA-seq在生物醫(yī)學(xué)和臨床研究領(lǐng)域中的幾個值得注意的應(yīng)用。

scRNA-seq在胚胎、組織和器官發(fā)育研究中的應(yīng)用
(1)胚胎發(fā)育研究
scRNA-seq在胚胎發(fā)育研究中扮演著關(guān)鍵角色，尤其是在區(qū)分和識別多樣的細(xì)胞類型及其發(fā)展譜系方面具有重要價值。在曹等人（2019年）的研究中，通過分析小鼠胚胎中的2,072,011個單細(xì)胞，scRNA-seq技術(shù)識別出38種主要細(xì)胞類型和655個亞型。這項工作不僅揭示了哺乳動物器官形成過程中細(xì)胞類型的發(fā)育軌跡，還特別為骨骼肌細(xì)胞創(chuàng)建了詳細(xì)的發(fā)育軌跡圖，極大地豐富了我們對哺乳動物發(fā)育生物學(xué)的理解。研究人員還利用scRNA-seq技術(shù)重建了發(fā)育軌跡，并通過分析不同發(fā)育階段的基因表達(dá)，揭示了調(diào)控細(xì)胞命運的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)（吳等人，2024年）。

Scialdone等人（2016年）的研究通過分析1,205個早期原腸形成階段的小鼠細(xì)胞，為健康哺乳動物在早期發(fā)育階段創(chuàng)建了基因表達(dá)譜，并深入研究了關(guān)鍵的造血轉(zhuǎn)錄因子Tal1的功能，提供了一個具有啟發(fā)性的研究案例。Nestorowa等人（2016年）的研究則通過分析超過1,600個單造血干細(xì)胞和祖細(xì)胞，揭示了造血干細(xì)胞的發(fā)育軌跡，并闡明了調(diào)控血細(xì)胞分化的分子機制。此外，scRNA-seq技術(shù)在識別胚胎發(fā)育中決定細(xì)胞命運的關(guān)鍵調(diào)控因子和信號通路方面也顯示出其重要性。例如，Lescroart等人（2018年）的研究中，Mesp1被確定為小鼠心臟發(fā)育中心臟祖細(xì)胞特化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。溫等人（2024年）通過整合來自胚胎干細(xì)胞和胚胎的人類中胚層細(xì)胞的scRNA-seq分析，識別并定義了傾向于造血譜系的人類造血中胚層細(xì)胞的分子特征。崔等人（2019年）的研究則探索了來自人類胚胎的近4,000個心臟細(xì)胞的基因表達(dá)圖譜，識別了四種主要細(xì)胞類型，并揭示了對細(xì)胞成熟和分化可能至關(guān)重要的信號通路。這些研究成果為深入理解人類心臟發(fā)育的調(diào)控機制提供了堅實的基礎(chǔ)。

(2)組織和器官發(fā)育研究
scRNA-seq的應(yīng)用不僅限于胚胎細(xì)胞的研究，它還是一個強有力的工具，用于描繪器官或組織中細(xì)胞群體的發(fā)展和演變，為我們提供了動物組織和器官發(fā)育中關(guān)鍵轉(zhuǎn)變的詳盡信息（Mu等人，2019年；Paik等人，2020年）。接下來，我們將深入探討scRNA-seq在組織和器官發(fā)育研究中的應(yīng)用，特別強調(diào)其在揭示細(xì)胞多樣性、識別稀有細(xì)胞群體以及洞察疾病機制方面的重要性。

2016年，人類細(xì)胞圖譜（HCA）項目應(yīng)運而生，這是一個雄心勃勃的國際合作項目，目標(biāo)是全面繪制和詳細(xì)描述人體中的每一種細(xì)胞類型。該項目的主要目標(biāo)是揭示細(xì)胞的空間分布和功能聯(lián)系，深化我們對人類生物學(xué)的認(rèn)識，并最終提升疾病診斷和治療的能力。自項目啟動以來，眾多scRNA-seq研究已經(jīng)為構(gòu)建這一宏偉的人類細(xì)胞圖譜做出了顯著貢獻(xiàn)。在這一領(lǐng)域，韓等人（2020年）通過微孔測序技術(shù)（microwell-seq）對來自七種不同細(xì)胞培養(yǎng)和60種人類組織類型的702,968個單細(xì)胞進行了分析，揭示了多種人類組織中以前未知的細(xì)胞異質(zhì)性。特別是在對人類腎臟組織的研究中，他們發(fā)現(xiàn)了成年腎臟中的新類型閏細(xì)胞以及胎兒腎臟中以前未被識別的S形小體細(xì)胞。這些在單細(xì)胞層面上構(gòu)建的人類細(xì)胞圖譜，為我們深入理解人類生物學(xué)提供了寶貴的資源。進一步地，瓊斯等人（2022年）、埃拉斯蘭等人（2022年）、多明格斯·孔德等人（2022年）以及索等人（2022年）的研究，通過分析超過100萬個來自68個不同供體的細(xì)胞，涵蓋了500多種不同細(xì)胞類型，構(gòu)建了泛組織scRNA-seq圖譜。這些研究通過跨組織的細(xì)胞類型和轉(zhuǎn)錄屬性比較，識別了罕見的細(xì)胞類型、組織無關(guān)特征、組織特異性細(xì)胞狀態(tài)，以及與疾病相關(guān)的細(xì)胞類型。這些泛組織研究在構(gòu)建全面的人類單細(xì)胞圖譜方面，標(biāo)志著一個重要的里程碑，為未來的生物醫(yī)學(xué)研究和臨床應(yīng)用開辟了新的道路。

scRNA-seq不僅在構(gòu)建器官圖譜方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它還通過揭示與眾多疾病相關(guān)的細(xì)胞特異性基因表達(dá)變化，為深入理解疾病機制提供了寶貴的洞見。威爾遜等人（2019年）對保存的人類糖尿病腎臟樣本進行了全面的snRNA-seq分析，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵炎癥標(biāo)志物TNFRSF21和ILR1在免疫細(xì)胞中的表達(dá)顯著上升，這些標(biāo)志物可能成為監(jiān)測疾病進展的生物標(biāo)志物或糖尿病腎病早期治療的潛在靶點。在另一項研究中，科尼希等人（2022年）運用snRNA-seq和scRNA-seq的組合方法，對27名健康個體和18名擴張型心肌病患者的心臟組織進行了分析。他們不僅解析了不同主要心臟細(xì)胞類型的特異轉(zhuǎn)錄程序，還識別出與疾病狀態(tài)相關(guān)的基因表達(dá)模式，并進一步揭示了擴張型心肌病的分子機制。這些發(fā)現(xiàn)為心臟病的診斷和治療提供了新的視角。

總體而言，scRNA-seq技術(shù)在繪制人類組織和器官的詳盡圖譜方面扮演了至關(guān)重要的角色。它不僅揭示了復(fù)雜的基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)和細(xì)胞發(fā)育路徑，還為理解特定器官或組織病變過程中的關(guān)鍵因素和潛在靶點提供了深刻見解。這些寶貴的信息資源不僅有助于我們深入理解疾病機制，而且為發(fā)展更有效的疾病治療策略奠定了堅實的基礎(chǔ)。

scRNA-seq技術(shù)在腫瘤生物學(xué)研究中的應(yīng)用
ScRNA-seq技術(shù)以其在單細(xì)胞水平上對整個轉(zhuǎn)錄組的深入分析，徹底革新了我們對腫瘤生物學(xué)的認(rèn)識。這一技術(shù)在揭示腫瘤內(nèi)部的復(fù)雜異質(zhì)性、識別腫瘤的不同亞克隆、描繪腫瘤與免疫細(xì)胞間的相互作用、解析腫瘤相關(guān)的信號傳導(dǎo)路徑，以及預(yù)測藥物反應(yīng)和抗藥性方面扮演了關(guān)鍵角色。它不僅使我們能夠構(gòu)建精細(xì)的細(xì)胞圖譜、發(fā)掘新的生物標(biāo)志物，還能識別潛在的治療靶點。隨著scRNA-seq技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，它展現(xiàn)出巨大的潛力，有望顯著改善患者的治療結(jié)果，并推動個性化醫(yī)療的快速發(fā)展。

(1) 腫瘤異質(zhì)性
腫瘤由多種細(xì)胞組成，每種細(xì)胞都具有其特定的基因表達(dá)模式和功能特征。盡管傳統(tǒng)的整體RNA測序技術(shù)提供了豐富的信息，但它所反映的是整個腫瘤的基因表達(dá)平均水平，從而模糊了腫瘤內(nèi)部細(xì)胞的多樣性。scRNA-seq技術(shù)則能夠精確識別并描述腫瘤中的不同細(xì)胞群體，為我們深入理解腫瘤的復(fù)雜生態(tài)提供了更為精細(xì)的視角。

例如，Hu等研究者在2020年通過scRNA-seq技術(shù)揭示了健康人類輸卵管組織中六種輸卵管上皮細(xì)胞亞型的存在，并關(guān)聯(lián)了這些亞型與漿液性卵巢癌（SOC）患者的預(yù)后，同時展現(xiàn)了SOC內(nèi)部的腫瘤異質(zhì)性。Liang等研究者在2021年對八例高級別SOC病例的scRNA-seq數(shù)據(jù)進行分析，識別出20個具有組織特異性的細(xì)胞簇，并利用卵巢癌免疫細(xì)胞的異質(zhì)性，開發(fā)了基于CXCL13和IL26兩個基因的預(yù)后分層方法，以更精確地評估患者的預(yù)后風(fēng)險。在胃癌（GA）領(lǐng)域，腫瘤異質(zhì)性對精確診斷和治療構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。Zhang等研究者在2021年運用無偏的scRNA-seq技術(shù)分析了來自九個GA樣本和三個非腫瘤樣本的27,677個細(xì)胞，揭示了GA患者內(nèi)部及不同患者間的細(xì)胞分化和異質(zhì)性，為理解罕見的主細(xì)胞型GA（GA-FG-CCP）的分子構(gòu)成提供了新見解，并基于這些發(fā)現(xiàn)提出了區(qū)分良性與惡性上皮的生物標(biāo)志物組合。Zhong等研究者在2022年利用scRNA-seq技術(shù)探索了9名多發(fā)性骨髓瘤患者的細(xì)胞異質(zhì)性和規(guī)律網(wǎng)絡(luò)，通過分析發(fā)現(xiàn)了疾病不同階段的獨特分子、網(wǎng)絡(luò)和交叉對話對，為疾病的預(yù)后和治療提供了寶貴的洞見。因此，scRNA-seq技術(shù)通過揭示腫瘤異質(zhì)性的復(fù)雜性，助力研究人員深入理解腫瘤中的各種細(xì)胞類型、它們的相互作用，以及它們對腫瘤發(fā)展、進展和治療反應(yīng)的影響。

(2)腫瘤微環(huán)境
腫瘤微環(huán)境（TME）包含癌細(xì)胞、免疫細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞和血管細(xì)胞等細(xì)胞類型。它在腫瘤的發(fā)展、侵襲性增強以及對治療的響應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用。scRNA-seq技術(shù)能夠通過分析這些細(xì)胞群體的基因表達(dá)圖譜，識別并分類不同的細(xì)胞亞群，從而揭示TME的復(fù)雜性。

scRNA-seq技術(shù)通過解析個體細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組，能夠有效地鑒定腫瘤微環(huán)境（TME）中的稀有細(xì)胞群，例如腫瘤浸潤性淋巴細(xì)胞（TILs）、癌相關(guān)成纖維細(xì)胞（CAFs）和骨髓源性抑制細(xì)胞（MDSCs）。在中國研究團隊開展的一項標(biāo)志性研究中，他們運用scRNA-seq技術(shù)對來自九位胃癌患者的47,304個細(xì)胞進行了轉(zhuǎn)錄組分析。這項研究揭示了胃癌TME中多種免疫細(xì)胞亞群的存在，包括調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Tregs）、CD4+ T細(xì)胞、CD8+ T細(xì)胞、自然殺傷（NK）細(xì)胞和先天淋巴細(xì)胞（ILCs）（Li et al., 2022k）。尤為重要的是，該研究觀察到胃癌組織中調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的富集現(xiàn)象，這些細(xì)胞表現(xiàn)出免疫抑制相關(guān)基因——如雙特異性磷酸酶4（DUSP4）、白介素2受體亞基α（IL2RA）、腫瘤壞死因子受體超家族成員4（TNFRSF4）、LAYN和LGALS1——的表達(dá)水平升高，這一發(fā)現(xiàn)暗示了胃癌中存在一個免疫抑制性的微環(huán)境。這些基因的表達(dá)模式可能與腫瘤的免疫逃逸機制有關(guān)，為癌癥免疫治療提供了潛在的靶點。

深入解析腫瘤微環(huán)境（TME）內(nèi)的細(xì)胞異質(zhì)性和基因表達(dá)模式，有望推動新一代靶向癌癥治療藥物的研制以及前沿早期診斷技術(shù)的發(fā)展。Savas等人開展的研究揭示了腫瘤浸潤性T細(xì)胞群體中的顯著異質(zhì)性，該研究通過scRNA-seq技術(shù)對123名乳腺癌患者的6,311個腫瘤內(nèi)T細(xì)胞進行了深入分析。研究發(fā)現(xiàn)，在乳腺癌患者中，腫瘤浸潤性淋巴細(xì)胞（TILs）數(shù)量較高的個體，其CD8+ T細(xì)胞表現(xiàn)出組織駐留記憶T（TRM）細(xì)胞的特征性發(fā)育軌跡。尤為重要的是，這些CD8+ TRM細(xì)胞高表達(dá)細(xì)胞毒性效應(yīng)蛋白，如穿孔素（PRF1）和顆粒溶素（GZMB），以及免疫檢查點分子，包括程序性死亡蛋白1（PDCD1，亦稱為PD-1）和細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞相關(guān)蛋白4（CTLA4）（Savas et al., 2018）。此外，在早期三陰性乳腺癌患者中，CD8+ TRM細(xì)胞亞群的基因表達(dá)譜與患者預(yù)后的改善呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性。這些發(fā)現(xiàn)突顯了scRNA-seq技術(shù)在識別與免疫監(jiān)視或免疫抑制相關(guān)的TILs亞群方面的能力，這些亞群可能成為乳腺癌治療的潛在靶點或預(yù)后生物標(biāo)志物。

(3)治療選擇和監(jiān)測
在癌癥研究領(lǐng)域，利用scRNA-seq技術(shù)來制定個性化治療方案顯得尤為重要。腫瘤由多種細(xì)胞組成，包括內(nèi)皮細(xì)胞、間質(zhì)細(xì)胞、免疫細(xì)胞以及惡性細(xì)胞，這些不同類型的細(xì)胞在治療抵抗、腫瘤轉(zhuǎn)移和形成過程中都扮演著關(guān)鍵角色。scRNA-seq技術(shù)通過細(xì)致分析腫瘤內(nèi)部單個細(xì)胞的基因表達(dá)圖譜，能夠精準(zhǔn)識別出那些在腫瘤發(fā)展和對治療產(chǎn)生抗性中發(fā)揮核心作用的特定細(xì)胞亞群。

在Tirosh等人（2016年）的研究中，scRNA-seq被應(yīng)用于深入分析黑色素瘤腫瘤的細(xì)胞異質(zhì)性，并精確定位與治療抗性相關(guān)的特定細(xì)胞狀態(tài)。該研究發(fā)現(xiàn)了一個腫瘤細(xì)胞亞群，其AXL基因表達(dá)顯著上調(diào)，這與對靶向治療的抗性密切相關(guān)。這一突破性發(fā)現(xiàn)為設(shè)計針對AXL信號通路及其它靶向治療通路的聯(lián)合療法提供了理論基礎(chǔ)，有望提升治療效果。

然而，并非所有患者都能對免疫檢查點抑制劑如抗PD-1和抗CTLA-4抗體產(chǎn)生響應(yīng)，這些療法通過增強免疫系統(tǒng)識別和攻擊癌細(xì)胞的能力，已經(jīng)在癌癥治療領(lǐng)域引起了革命性變化。為了探究這種抗性的潛在機制并優(yōu)化治療效果，麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)Broad研究所的科學(xué)家們開展了一項研究，利用scRNA-seq技術(shù)對33名黑色素瘤患者的腫瘤樣本中的單個細(xì)胞基因表達(dá)譜進行了分析。這項分析揭示了一種名為T細(xì)胞排除程序（TEX）的獨特癌細(xì)胞亞群。這些TEX細(xì)胞在腫瘤微環(huán)境中主動抑制T細(xì)胞的招募和活化，構(gòu)建了一個免疫抑制屏障，使癌細(xì)胞得以逃避免疫系統(tǒng)的攻擊。TEX程序與對免疫檢查點阻斷療法的抗性和對PD-1抗體治療的不良響應(yīng)相關(guān)聯(lián)，可能成為克服免疫抗性的一個潛在治療靶點。

在免疫細(xì)胞中的應(yīng)用
免疫系統(tǒng)，由免疫分子、免疫細(xì)胞和免疫器官構(gòu)成，是維持身體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的關(guān)鍵系統(tǒng)。其主要功能是識別并排除體內(nèi)的抗原性異物（Akar-Ghibril, 2022; See et al., 2018）。在與感染作斗爭的過程中，免疫系統(tǒng)有時可能引發(fā)針對自身組織的抗原反應(yīng)，進而導(dǎo)致免疫失調(diào)，損害特定的組織或器官（Li et al., 2022m; Suo et al., 2022）。鑒于免疫疾病的發(fā)病機制復(fù)雜多樣，迅速識別疾病的觸發(fā)因素對于免疫疾病的治療極為關(guān)鍵（Zhao et al., 2021b）。scRNA-seq作為一種先進的技術(shù)手段，能夠揭示新的細(xì)胞亞群，追蹤免疫細(xì)胞的發(fā)育軌跡，并識別免疫疾病中免疫反應(yīng)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這有助于在單細(xì)胞層面深化對免疫疾病發(fā)病機制的理解，并為開發(fā)新療法、造福更多患者提供了可能。

(1)免疫細(xì)胞異質(zhì)性研究
scRNA-seq技術(shù)能夠精細(xì)描繪組織和器官內(nèi)單個細(xì)胞的特征，并發(fā)掘出稀有乃至先前未知的細(xì)胞群落。在免疫學(xué)疾病的研究領(lǐng)域，這項技術(shù)已經(jīng)揭示了多種不同的免疫細(xì)胞亞群及其特定的功能狀態(tài)，為我們深入理解免疫系統(tǒng)的復(fù)雜性提供了新的視角。

He等人（2023年）利用scRNA-seq對老年斑馬魚大腦中的26,456個免疫細(xì)胞進行了深入分析，發(fā)現(xiàn)小膠質(zhì)細(xì)胞和T細(xì)胞在衰老引起的神經(jīng)退行性變化中扮演著關(guān)鍵角色。在美國進行的另一項研究中，研究人員通過scRNA-seq技術(shù)分析了33名兒童系統(tǒng)性紅斑狼瘡（cSLE）患者及11名健康對照者的約276,000個單核外周血單核細(xì)胞（PBMCs）的轉(zhuǎn)錄組（Nehar-Belaid等人，2020年）。這項研究不僅鑒定出兩個新的細(xì)胞亞群——ISGhi T-SC4和高表達(dá)細(xì)胞毒性蛋白的CD8+ T細(xì)胞，還揭示了與疾病嚴(yán)重程度密切相關(guān)的SLE特異的激活NK細(xì)胞和ISGhi NK-SC。這些發(fā)現(xiàn)為我們深入理解SLE的異質(zhì)性、免疫系統(tǒng)的細(xì)胞構(gòu)成和功能多樣性提供了新的視角，并有助于揭示推動疾病進展的潛在機制。Zheng等人（2022年）通過scRNA-seq技術(shù)構(gòu)建了與狼瘡發(fā)病機制相關(guān)的單細(xì)胞圖譜，闡明了盤狀紅斑狼瘡（DLE）和SLE皮膚病變中的異質(zhì)性特征，為探索新的治療干預(yù)途徑提供了重要線索。

(2)免疫疾病機制研究
scRNA-seq技術(shù)賦予了研究人員深入解析免疫疾病復(fù)雜細(xì)胞構(gòu)成的能力，使他們能夠精確識別失調(diào)的信號通路，并發(fā)現(xiàn)可能對疾病發(fā)展有重要作用的新細(xì)胞類型或亞型。這項技術(shù)的應(yīng)用預(yù)期將在免疫疾病的診斷、治療和管理工作中帶來革命性的進步。Gaydosik等人（2021年）利用10x Genomics平臺，對來自10名健康志愿者和27名活動性系統(tǒng)性硬化癥（SSc）患者皮膚活檢樣本中的3,729個CD3+淋巴細(xì)胞進行了深入研究。該研究揭示了在健康個體和SSc患者皮膚中存在的不同組織駐留與循環(huán)T細(xì)胞亞群，并鑒定出促成炎癥性免疫紊亂的關(guān)鍵細(xì)胞因子。這些成果不僅加深了我們對疾病免疫機制的理解，也為開發(fā)針對SSc的創(chuàng)新性個性化治療方案提供了新的可能性。徐等人（2022年）通過單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)深入探究了白癜風(fēng)的發(fā)病機制，揭示了皮膚成纖維細(xì)胞與白癜風(fēng)之間的密切聯(lián)系，并進一步明確了白癜風(fēng)發(fā)病的位置傾向性，這對于制定新的白癜風(fēng)治療方案具有重要的指導(dǎo)價值。

scRNA-seq技術(shù)在傳染病研究中的應(yīng)用
scRNA-seq技術(shù)在傳染病研究領(lǐng)域中扮演了顛覆性的角色。該技術(shù)使得研究者能夠在分子層面上細(xì)致探究宿主與病原體的相互作用，精確描述宿主的免疫應(yīng)答特性，并深入調(diào)查傳染病對宿主組織的影響。通過這項技術(shù)的應(yīng)用，傳染病的復(fù)雜性得以在單細(xì)胞層面被解析，揭示了在感染過程中細(xì)胞反應(yīng)的多樣性和功能狀態(tài)，這些在以往研究中未曾被充分探索。這些發(fā)現(xiàn)不僅增進了我們對傳染病發(fā)病機制的理解，而且為未來傳染病的診斷、治療和管理提供了新的思路和方法。

結(jié)核桿菌感染引起的肺結(jié)核常表現(xiàn)為間質(zhì)性肺炎、肉芽腫病變及空洞性液化病變（Hunter等，2014年）。王等人（2023年）通過scRNA-seq技術(shù)對結(jié)核病患者的肺組織進行了分析，探究了18F-FDG高親和力區(qū)域及其周邊未受影響組織的細(xì)胞異質(zhì)性和相互作用，鑒定出29種不同的細(xì)胞亞群，包括免疫細(xì)胞和實質(zhì)細(xì)胞，每個亞群都有其特定的標(biāo)記基因。這些發(fā)現(xiàn)為深入了解結(jié)核感染肺部中的免疫和非免疫細(xì)胞群體提供了寶貴的信息，對于揭示結(jié)核感染期間細(xì)胞間的復(fù)雜相互作用至關(guān)重要，并可能揭示新的治療靶點。趙等人（2023年）利用scRNA-seq分析了淋巴結(jié)中對鼠疫桿菌感染的免疫反應(yīng)，為理解鼠疫早期發(fā)病機制提供了新的視角。蔡等人（2020年）對COVID-19患者的呼吸道樣本進行了scRNA-seq，識別了與疾病嚴(yán)重程度相關(guān)的分子標(biāo)志。這些研究深化了我們對傳染病分子機制的理解，為開發(fā)更有效的診斷工具、治療方法和預(yù)防策略奠定了基礎(chǔ)。

scRNA-seq在藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)研究中的應(yīng)用
藥物研發(fā)進程常因?qū)θ梭w生物學(xué)的不完全理解而遭遇瓶頸，這包括對細(xì)胞異質(zhì)性、疾病機理、藥物反應(yīng)和治療靶點的認(rèn)識不足。自2009年誕生以來，scRNA-seq技術(shù)已顯著進步，為藥物開發(fā)提供了一個充滿希望的新途徑。該技術(shù)能夠捕獲單個細(xì)胞的全轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，因此可以被整合到藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的多個階段。在早期階段，scRNA-seq有助于識別新的細(xì)胞和分子靶點，并通過基于細(xì)胞組成和狀態(tài)變化的疾病亞型分型，深化我們對病理機制的理解。此外，這項技術(shù)還揭示了化合物在特定細(xì)胞類型中的作用、非靶向效應(yīng)以及異質(zhì)性反應(yīng)，這對于篩選潛在新藥至關(guān)重要。在臨床開發(fā)階段，scRNA-seq通過識別用于患者分層的生物標(biāo)志物發(fā)揮著核心作用，它有助于闡明藥物的作用機制和抗藥性，并允許對藥物反應(yīng)和疾病進程進行監(jiān)測。scRNA-seq通過洞察細(xì)胞和分子層面的復(fù)雜性，成為優(yōu)化藥物發(fā)現(xiàn)流程的有力工具，助力開發(fā)更精準(zhǔn)有效的治療方案。

(1)目標(biāo)識別
scRNA-seq技術(shù)在藥物發(fā)現(xiàn)的早期階段起到重要作用，尤其在疾病發(fā)病機制中關(guān)鍵治療靶點的識別方面。該技術(shù)通過揭示疾病狀態(tài)下細(xì)胞類型的失調(diào)和狀態(tài)變化，促進了治療靶點的識別。通過對單個細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組進行分析，能夠鑒定出疾病相關(guān)細(xì)胞群體與健康對照中表現(xiàn)出差異表達(dá)的特定基因和信號通路。這些信息對于指導(dǎo)潛在的治療靶點進行深入研究至關(guān)重要。

例如，Abdelfattah等人（2022年）應(yīng)用scRNA-seq技術(shù)對膠質(zhì)母細(xì)胞瘤樣本中的逾20萬個人源膠質(zhì)瘤細(xì)胞、免疫細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞進行了深入分析。該研究鑒別出S100A4作為膠質(zhì)母細(xì)胞瘤免疫治療的新型靶點。尤為引人注目的是，靶向敲除非腫瘤細(xì)胞中的S100A4能夠顯著重塑免疫系統(tǒng)，進而導(dǎo)致生存率的顯著提升。在慢性胰腺炎的研究領(lǐng)域，對胰腺免疫細(xì)胞及T細(xì)胞受體進行的單細(xì)胞測序分析揭示了潛在的治療靶點。在遺傳性慢性胰腺炎患者中，CCR6-CCL20信號通路的鑒定為人類疾病的靶向干預(yù)提供了新的途徑（Lee等人，2022年）。為了探究腫瘤與周圍免疫微環(huán)境的相互作用，美國德克薩斯大學(xué)MD Anderson癌癥中心的研究團隊對5例早期肺腺癌患者及14個多區(qū)域正常肺組織樣本中的186,916個細(xì)胞進行了scRNA-seq分析（Sinjab等人，2021年）。分析結(jié)果表明，腫瘤上皮細(xì)胞中CD24的表達(dá)水平顯著上調(diào)，并且與促腫瘤免疫表型及預(yù)后不良相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)暗示CD24可能是早期肺腺癌治療的一個有潛力的靶點。

(2)藥物篩選和優(yōu)化
scRNA-seq在藥物篩選和優(yōu)化中扮演了關(guān)鍵角色，顯著提升了藥物篩選的效率和精確性。傳統(tǒng)的藥物篩選方法常依賴于細(xì)胞群體，這些方法可能無法充分捕捉目標(biāo)組織或器官中的細(xì)胞異質(zhì)性。通過scRNA-seq技術(shù)，研究者能夠識別并分離出特定的細(xì)胞類型或感興趣的亞群，實現(xiàn)對這些細(xì)胞對不同藥物候選物反應(yīng)的更精細(xì)評估。

例如，曹等人（Cao et al., 2020a）利用高通量單細(xì)胞RNA和VDJ測序技術(shù)，從60名康復(fù)患者中富含抗原的B細(xì)胞中篩選出針對SARS-CoV-2的14種強中和抗體。在這些抗體中，BD-368-2顯示出最強的中和效果，并在hACE2轉(zhuǎn)基因小鼠模型中驗證了其治療和預(yù)防活性。這項工作展示了高通量單細(xì)胞測序技術(shù)在發(fā)現(xiàn)人類中和抗體方面的有效性，尤其在傳染病大流行期間具有重要意義。

(3)藥物作用機制
scRNA-seq技術(shù)為探究藥物誘導(dǎo)的細(xì)胞和分子層面變化提供了一種強有力的工具，使得全面解析藥物作用機制成為可能。例如，Taukulis等人（2021年）通過scRNA-seq分析了小鼠模型中順鉑引發(fā)的急性耳毒性。他們對順鉑處理的成年迷路血管紋（striatum vascularis）與未處理的成年對照組進行了轉(zhuǎn)錄組比較，從而揭示了細(xì)胞類型特異性的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。研究結(jié)果表明，迷路血管紋中的邊緣細(xì)胞和中間細(xì)胞對順鉑暴露尤為敏感。此外，scRNA-seq數(shù)據(jù)分析還發(fā)現(xiàn)了與化療相關(guān)耳毒性相關(guān)的特定基因表達(dá)變化，其中Alcam、Atp1b2、Spp1和Car12等基因表達(dá)下調(diào)，而Klf10、Cldn3和Tspan1等基因表達(dá)上調(diào)。這些差異表達(dá)基因可能成為減輕化療引起的耳毒性的新型治療靶點。張等人（2022年）則運用scRNA-seq結(jié)合細(xì)胞及生化方法，研究了二氫青蒿素的免疫調(diào)節(jié)作用機制。他們的研究揭示了二氫青蒿素通過激活SOD3-JNKAP-1信號通路，正向調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞異質(zhì)性和脾臟免疫細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，對治療自身免疫疾病具有潛在療效。深入理解藥物的作用機制對于提升治療效果和降低不良反應(yīng)具有重要意義。

(4)患者分層
scRNA-seq技術(shù)是個性化醫(yī)療領(lǐng)域的關(guān)鍵工具，其核心目標(biāo)是基于個體患者的分子特征來定制化治療方案。通過解析單個細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組圖譜，該技術(shù)促進了患者分層策略的發(fā)展，并助力于發(fā)現(xiàn)與疾病預(yù)后及治療反應(yīng)性密切相關(guān)的生物標(biāo)志物。

在嬰兒急性淋巴細(xì)胞性白血�。╥ALL）這一臨床背景下，疾病復(fù)發(fā)往往伴隨著致命風(fēng)險（Pieters等人，2019年）。scRNA-seq技術(shù)在iALL的預(yù)后風(fēng)險評估方面展現(xiàn)出巨大潛力。Candelli等人（2022年）對MLL重排型嬰兒急性淋巴細(xì)胞性白血�。∕LL-r iALL）患者樣本進行了scRNA-seq分析，通過定量分析對治療敏感與耐藥細(xì)胞的比例，研究者能夠預(yù)測MLL-r iALL的復(fù)發(fā)時間點。這一策略在預(yù)后風(fēng)險分層方面超越了現(xiàn)有的方案，突顯了scRNA-seq在優(yōu)化預(yù)后生物標(biāo)志物、提升治療成效方面的應(yīng)用前景。

scRNA-seq技術(shù)的應(yīng)用徹底革新了我們對細(xì)胞異質(zhì)性、疾病進程及治療反應(yīng)的單細(xì)胞層面認(rèn)知。它在治療靶點的鑒定、藥物篩選與優(yōu)化、作用機制的闡釋以及患者分層等多個方面均做出了重要貢獻(xiàn)。將scRNA-seq技術(shù)融入藥物研發(fā)流程，對于開發(fā)更具針對性和有效性的治療策略具有重大意義，有望顯著提升患者臨床治療結(jié)果。

總結(jié)
隨著scRNA-seq技術(shù)的發(fā)展，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜的構(gòu)建實現(xiàn)了空前的分辨率，為我們洞察復(fù)雜的細(xì)胞事件提供了深刻見解，并加深了我們對人類、模式生物和植物中細(xì)胞構(gòu)成和互作機制的認(rèn)知。本章節(jié)詳細(xì)闡述了scRNA-seq技術(shù)在多個維度上的進展，并著重強調(diào)了其在不同研究領(lǐng)域中的獨特特性與優(yōu)勢。至關(guān)重要的是，我們必須認(rèn)識到每種單細(xì)胞測序技術(shù)都有其固有的優(yōu)勢與局限。該領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新致力于開發(fā)更優(yōu)化的方法，以增強技術(shù)的穩(wěn)健性和檢測范圍，使得能夠在多層面對細(xì)胞組成進行全面分析，并在不同物種內(nèi)部精細(xì)繪制細(xì)胞圖譜。預(yù)期未來scRNA-seq技術(shù)的創(chuàng)新將繼續(xù)為生物醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)療領(lǐng)域帶來重大突破，成為深入探究和理解細(xì)胞動態(tài)的強力工具。

參考文獻(xiàn)：
Sun F, Li H, Sun D, et al. Single-cell omics: experimental workflow, data analyses and applications. Sci China Life Sci. 2025;68(1):5-102. doi:10.1007/s11427-023-2561-0​​​​