深入解碼「一個」細胞的基因組!單細胞定序翻轉癌症、生殖醫學臨床進展

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細胞是構成生物體的最基本單元,細胞間細微的表現差異可能就足以構成疾病發生。近 10 年來,越來越多細胞與分子生物學研究邁向以「單一細胞」作為分析單位,更細緻探討組織中細胞在基因組、轉錄組的表現差異;單細胞定序(single cell sequencing)則扮演實現這個研究趨勢的重要工具。

2020 年,單細胞空間轉錄組分析(spatial transcriptomics)入選為《Nature》期刊年度最佳技術,該期《Nature》報導介紹道,單細胞定序分析就像從一道沙拉中分離出確切水果種類、組成數量的方法,不再像傳統定序方法只能取得多細胞平均值,而能透過區分少量細胞並拼組細胞的空間分佈,更深入反映細胞之間的多組學關係。

基因線上此次特別專題分別從技術回顧、公司介紹、人物專訪系列深度專文,介紹單細胞定序的應用現況與潛力。本篇文章將依序介紹單細胞定序原理、發展趨勢、以及臨床應用的疾病領域彙整,完整回顧這項值得關注新興技術。

單細胞定序怎麼做?

「單細胞定序」是透過分離出單一細胞 DNA、RNA 遺傳物質,再擴增其基因組、轉錄組、或其他多組學進行定序分析後,進而得知單一細胞在組織中的異質性,並且提供描繪細胞圖譜的有用資訊。隨著技術演進,單細胞定序臨床應用越來越主流,如用於探討腫瘤發生與轉移機制,就與單一細胞的特定基因表現密切相關。

圖片來源/ Cell & Bioscience (2019)


單細胞定序拓展 NGS 技術

單細胞定序可以鑑別單一細胞類型、探討細胞分子機制的優勢,可與目前相當常見的次世代基因定序 NGS 技術結合,同時分析大量細胞的基因資訊。隨著蛋白體學(proteomics)受到重視,負責轉錄出蛋白質的 mRNA ──也就是轉錄組(transcriptome)漸成為研究目標。例如在急性骨髓性白血病(acute myeloid leukemia, AML)族群,造血幹細胞的 NGS 高通量 RNA-seq 可以分化出惡性增生的造血細胞群,有助醫師擬定相應治療策略。

多樣臨床應用 

單細胞定序的臨床應用相當廣泛,以下分別介紹在癌症、神經性疾病、生殖醫學、免疫學等領域發展現況。 

癌症

腫瘤周邊微環境(microenvironment)主導腫瘤發展與轉移機制,而微環境中存在複雜的細胞異質性,一直是影響癌症免疫療法成效的關鍵成因。有別於傳統定序方法只能針對細胞群進行分析,單細胞定序可以鑑別出特定細胞種類以及其生物標記,已成功被用於分析乳癌發生與不同型態乳腺上皮細胞(mammary epithelial cells)的關聯、解釋肝癌腫瘤微環境的免疫作用導致抗藥性反應成因。

神經性疾病

神經性疾病方面,單細胞定序也推動顯著的臨床進展。因為神經系統中的神經元組成高度複雜,而且是與基因體拷貝數變異(copy number variation)有關,基因層次的分子變異更造成分析神經細胞種類難度。使用單細胞定序技術得以分析神經細胞不同分化階段的基因特性,也可以藉由單細胞圖譜,理解神經細胞與大腦認知功能的關係,對於探討腦部發育、神經退化性疾病療法有很大貢獻。

生殖醫學

生殖醫學仰賴精確的基因篩檢基礎,單細胞定序能夠深入分析精、卵、或胚胎細胞基因組,輔助遺傳性疾病的篩檢、診斷、治療流程。又以生殖醫學中的「免疫不孕」議題為例,面臨孕婦因胎盤免疫排斥造成流產、胚胎著床問題,現有研究已經運用單細胞定序分析胎盤細胞轉錄組,解碼胚胎的免疫相關調節機制,改善妊娠疾病和降低懷孕風險。

免疫學

最後,免疫系統中不同的細胞分型與分化途徑,也向來是自體免疫性疾病、甚至癌症免疫療法重要的研究重點。免疫系統會隨著不同病源入侵或者人體老化,影響免疫細胞組成、增加組成複雜性,因此單細胞定序介入可以追蹤特定細胞種類、其抗原表現及細胞分化模式,比如用於探討神經發炎疾病的免疫機制調節手段,已發揮其優勢。


單細胞應用前景與現有限制

單細胞定序技術不僅推動發育生物學、細胞生物學基礎研究大步進展,也為癌症、免疫性疾病等重要治療領域,累積許多過去難以取得的有用臨床資訊。儘管如此,單細胞定序仍面臨一些發展限制。

以癌症而言,由於單細胞定序的檢體屬於微量組織,難確保採集樣本含有目標腫瘤細胞與遺傳物質,腫瘤轉移與現有組織採檢技術特性都會影響分析結果準確度。未來持續整合單細胞定序與既有採檢、診斷方法,提升不同分析工具在臨床情境的實用性將是一個改良方向。

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參考資料:

  1. Cell & Bioscience, 2019; https://cellandbioscience.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13578-019-0314-y
  2. Experimental & Molecular Medicine, 2020; https://www.nature.com/articles/s12276-020-00495-6.pdf
  3. Nature, 2021; https://www.nature.com/articles/s41592-020-01033-y?fbclid=IwAR20PVUAIZRxnxPVtcGRBX-6MJCEnhLWxpO1XZLeb_o8kkyPd4ImPy8hWw4

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