專訪M20 Genomics丨「拒絕成為模仿者和跟隨者」新一代國產(chǎn)單細(xì)胞測序技術(shù)將打破樣本限制，實(shí)現(xiàn)更高靈敏度

在實(shí)現(xiàn)了高通量、多組學(xué)等技術(shù)突破之后，當(dāng)前的單細(xì)胞測序技術(shù)領(lǐng)域依然不乏挑戰(zhàn)。靈敏度低、樣本活性限制以及成本高昂，這些問題成為了單細(xì)胞相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的巨大阻礙。而現(xiàn)在，國內(nèi)的先進(jìn)研究者正在試圖打造新一代 “利器” 以解決困境。
近日，致力于開發(fā)單細(xì)胞測序技術(shù)平臺的初創(chuàng)企業(yè) M20 Genomics（以下簡稱 M20）完成了數(shù)千萬人民幣融資，本輪融資由啟明創(chuàng)投和巢生資本聯(lián)合投資。目前，M20 團(tuán)隊(duì)已研發(fā)基于微流控平臺的新一代國產(chǎn)單細(xì)胞 RNA 測序技術(shù)，并完成原型機(jī)的制造。不僅大幅提高現(xiàn)有技術(shù)的 RNA 檢測靈敏度和覆蓋度，同時極大地拓寬了樣本的適用范圍。
據(jù)悉，M20 團(tuán)隊(duì)成員長期從事單細(xì)胞測序技術(shù)的研究及相關(guān)轉(zhuǎn)化，其科學(xué)家團(tuán)隊(duì)曾自主研發(fā)了基于微孔單細(xì)胞測序技術(shù)的第一代國產(chǎn)高通量單細(xì)胞測序平臺，并以此繪制了全球首個哺乳動物細(xì)胞圖譜和人類細(xì)胞圖譜。相關(guān)成果先后發(fā)表于 Cell 和 Nature 期刊，并入選 2020 年 “中國生物信息學(xué)十大進(jìn)展”。
本輪融資之后，M20 將加快平臺設(shè)施建設(shè)并持續(xù)增加研發(fā)投入，以加速產(chǎn)品的制造及量產(chǎn)進(jìn)程，有望打破國外廠商在該領(lǐng)域中的技術(shù)壟斷。檢測靈敏度大幅提升，進(jìn)一步擴(kuò)展樣本范圍
2015 年，基于微流控和微孔板原理的高通量單細(xì)胞測序標(biāo)記和建庫技術(shù)幾乎同時出現(xiàn)。前者基于流體力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分選，適用于高通量、大規(guī)模的單細(xì)胞研究；后者利用大量的微孔完成細(xì)胞的捕獲，隨后進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組文庫的構(gòu)建。
2016 年，10X Genomics 率先推出了以微流控為基礎(chǔ)的高通量單細(xì)胞測序平臺 Chromium Controller 并憑此迅速占領(lǐng)市場。該平臺以含有 75 萬種 barcode 的油滴包裹的凝膠微珠（GEMs）作為技術(shù)核心，能在 10 分鐘內(nèi)自動完成多至 80,000 個細(xì)胞的捕獲。
據(jù) M20 公司介紹，“當(dāng)前市面上的單細(xì)胞測序技術(shù)，例如 BD、10X 等知名企業(yè)的設(shè)備，其對于待測樣本有很高的要求。需要至少達(dá)到 70% 及以上的細(xì)胞活性才可以檢測?！?/span>
然而實(shí)際上，臨床上的大部分樣本可能來自于凍存或福爾馬林固定、甚至石蠟包埋（FFPE）處理的組織。這些樣本的細(xì)胞活性非常差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 70%，以至于很難利用目前的單細(xì)胞測序技術(shù)檢測該類樣本，即便檢測也很難取得有效的結(jié)果。
另一方面，單個細(xì)胞內(nèi)檢測基因數(shù)量過低也是限制其應(yīng)用的另一個瓶頸，將導(dǎo)致文庫復(fù)雜性與大小差異、數(shù)據(jù)缺失以及低捕獲率造成的信號干擾等問題。
著眼于該類技術(shù)瓶頸，M20 團(tuán)隊(duì)匯集包括浙江大學(xué)和良渚實(shí)驗(yàn)室的科研人員，以及來自麻省理工學(xué)院、杜克大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校和北京大學(xué)等多所國內(nèi)外頂尖高校的科學(xué)家和管理人才，研發(fā)了基于微流控平臺的新一代國產(chǎn)單細(xì)胞 RNA 測序技術(shù)。
目前，M20 已經(jīng)完成了其單細(xì)胞測序儀原型機(jī)的組裝，在積極開展內(nèi)部測試的同時，還與浙江大學(xué)麾下的部分實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)院開展合作
據(jù)該公司透露，目前已經(jīng)開始接收包括一些醫(yī)院和實(shí)驗(yàn)室寄送的樣本開展單細(xì)胞測序服務(wù)。
從數(shù)據(jù)上看，M20 的單細(xì)胞測序平臺在新鮮樣本、凍存樣本和 FFPE 樣本的單細(xì)胞或單核中均能檢測到近萬余個基因，并且實(shí)現(xiàn)了 RNA 的全長測序。相比之下，10X 旗下 v3.1 Chemistry 版本試劑能夠支持的檢出基因數(shù)量約為 4000 基因 / 細(xì)胞。
不僅如此，M20 公司團(tuán)隊(duì)還首次實(shí)現(xiàn)了在商業(yè)化微流控平臺上針對細(xì)菌的高通量單細(xì)胞 RNA 測序。
早期研究表明，將單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)應(yīng)用至微生物研究時，細(xì)胞尺寸、細(xì)胞壁和核糖體 RNA 成為了極大的限制因素。同時受制于傳統(tǒng)的引物設(shè)計(jì)等原因，在細(xì)菌微生物領(lǐng)域極易造成檢出率低和檢測結(jié)果的高隨機(jī)性。
而現(xiàn)在，在直徑大小僅為細(xì)胞約百分之一的大腸桿菌中，M20 設(shè)備已經(jīng)達(dá)到單個細(xì)菌檢出上千基因的檢測水平。
這不僅意味著單細(xì)胞測序技術(shù)將跨入微生物檢測領(lǐng)域，對于研究細(xì)菌的耐****、致病、持留及細(xì)菌與宿主的相互作用等方面來說同樣將具備巨大的推動作用助力繪制細(xì)胞圖譜 2.0—— 精度更高、擴(kuò)展不同疾病類型
可以說，細(xì)胞是生命的基本單位。不同類細(xì)胞之間存在廣泛的基因?qū)用媾c表型差異，其中蘊(yùn)含著大量闡述疾病背后機(jī)理的密碼，亟待人類進(jìn)一步的探索。
在此前的數(shù)百年時間里，科學(xué)家主要利用顯微鏡和流式分析等技術(shù)，依靠若干表型特征對自然界里不同物種的細(xì)胞進(jìn)行分類和鑒定。
然而，人為進(jìn)行的細(xì)胞分類與鑒定操作往往具有較大主觀性。相關(guān)業(yè)內(nèi)人士介紹，“可以說，在很長一段時間內(nèi)，人類對于自身的探索甚至比‘探月’工程的進(jìn)展更加緩慢。這其中，缺乏有效的分析工具也是主要的限制因素之一?！?/span>
2009 年，單細(xì)胞測序技術(shù)的出現(xiàn)帶動了人們對于傳統(tǒng)細(xì)胞認(rèn)知體系的革命性變化。并且，基于該技術(shù)的迅速發(fā)展，人類對于細(xì)胞的認(rèn)知進(jìn)入數(shù)字化時代。
2017 年，“細(xì)胞圖譜” 登錄《麻省理工科技評論》（MIT Technology Review）發(fā)布的 “2017 年全球十大突破性技術(shù)” 榜單。
細(xì)胞圖譜指的是人類細(xì)胞圖譜計(jì)劃 （the Human Cell Atlas），暨基于單細(xì)胞高通量測序等技術(shù)繪制出人體中各種細(xì)胞類型的完全目錄。其目的在于建立超精確的人類生理學(xué)模型，從而加速新****研發(fā)與試驗(yàn)進(jìn)程。
2020 年 3 月，浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)基于其自主研發(fā)的微孔單細(xì)胞測序技術(shù)，針對 60 種人體組織樣品和 7 種細(xì)胞培養(yǎng)樣品進(jìn)行分析，系統(tǒng)性地繪制了跨越胚胎和成年兩個時期，涵蓋八大系統(tǒng)的人類細(xì)胞圖譜 1.0。其研究成果發(fā)表于 Nature 雜志。
該項(xiàng)工作中，該研究團(tuán)隊(duì)使用數(shù)字矩陣描述每一個細(xì)胞的特征，并對細(xì)胞進(jìn)行系統(tǒng)性分類。不僅定義了多種此前未知的細(xì)胞種類，還發(fā)現(xiàn)了一些特殊的表達(dá)模式。
同時，該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了 scHCL 單細(xì)胞比對系統(tǒng)用于人體細(xì)胞類型的識別，并搭建了人類細(xì)胞藍(lán)圖網(wǎng)站（http://bis.zju.edu.cn/HCL/）。
目前，M20 的科研團(tuán)隊(duì)已與浙江大學(xué)研究組合作，將共同利用最新的單細(xì)胞測序技術(shù)推進(jìn)細(xì)胞圖譜 2.0 的繪制工作。
“對比此前的細(xì)胞圖譜 1.0，我們將在 2.0 版本中將實(shí)現(xiàn)更高的檢測精度和通量?！盡20 公司介紹，不僅如此，其工作內(nèi)容還將包括繪制不同疾病的細(xì)胞圖譜，以期回答疾病細(xì)胞如何分型以及疾病基因如何決定表型的核心問題。
在未來，臨床醫(yī)生或?qū)⒛軌蛲ㄟ^參照正常的細(xì)胞狀態(tài)來鑒別異常的細(xì)胞狀態(tài)和起源市場容量超百億，“性能 + 成本” 將成國產(chǎn)企業(yè)破局關(guān)鍵
除了技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)展方面受限之外，國內(nèi)的單細(xì)胞測序技術(shù)由國外企業(yè)壟斷所帶來的另一個問題就是檢測成本居高不下。
市面上，10X Genomics 的設(shè)備成本達(dá)到了百萬人民幣，試劑成本約 1 萬人民幣 / 反應(yīng)。在 2016 年推出首個單細(xì)胞測序平臺時，該公司收入為 2700 萬美元，在 2020 年增長到了 3.6 億美元。巨大的收益讓公司市值同樣水漲船高，已超 200 億美元。
這其中，大部分收益都貢獻(xiàn)給了行業(yè)壟斷導(dǎo)致的品牌溢價(jià)中。實(shí)際上，單細(xì)胞測序的檢測成本主要來源于兩部分：第一部分是前端單細(xì)胞測序的文庫構(gòu)建，第二部分是測序。
“目前來說，后端測序部分的成本很難降低。顯然，隨著檢測細(xì)胞數(shù)目的增長，測序成本也將線性增加?！盡20 公司介紹。
“不過對于前期文庫制備來說，試劑和物料成本其實(shí)并不高。盡管進(jìn)口的文庫構(gòu)建套件依然動輒上萬元，不過隨著國產(chǎn)的測序設(shè)備及試劑逐步進(jìn)入市場，單細(xì)胞測序的費(fèi)用有望大幅度降低?！?/span>
近幾年來，高通量單細(xì)胞測序技術(shù)在基礎(chǔ)生物學(xué)研究、新****研發(fā)和疾病診斷上均顯示出巨大潛力，因此催生出輝煌的市場前景。
根據(jù)此前 Emergen Research 發(fā)布的數(shù)據(jù)，2019 年全球單細(xì)胞測序技術(shù)市場為 11.316 億美元，預(yù)計(jì)到 2027 年將達(dá)到 32.306 億美元。根據(jù) 10X Genomics 在 2021 年年中對外發(fā)布的分析預(yù)測材料中指出，該公司面臨的上下游市場容量將超過 150 億美元。
在這其中，全球 95% 以上的單細(xì)胞測序科研和應(yīng)用市場都被 10X Genomics 等公司占據(jù)。
“如果一味跟隨和模仿國外公司，我們就很難做出超越其性能的產(chǎn)品?！盡20 公司認(rèn)為，只有采取新的技術(shù)方案才有可能形成有效的競爭實(shí)力。
談及下一步的發(fā)展規(guī)劃，M20 公司表示：“首先要將產(chǎn)品做好，短期內(nèi)的目標(biāo)將是盡快完成并推出自動化的設(shè)備。應(yīng)用層面上，將會針對不同的樣本類型擴(kuò)展開發(fā)出各類適配的試劑套件?！?/span>
站在更長遠(yuǎn)的角度來看，憑借更高的靈敏度和更廣的樣本適用性，單細(xì)胞測序技術(shù)的下游應(yīng)用領(lǐng)域有望被進(jìn)一步擴(kuò)展。
不僅僅是細(xì)胞圖譜工作，包括免疫治療，抗生素耐****等具體的應(yīng)用場景將有待開發(fā)。這些工作將為臨床和制****領(lǐng)域的進(jìn)展提供有利的技術(shù)支撐。