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

在實(shí)現了高通量、多組學(xué)等技術(shù)突破之后，當前的單細胞測序技術(shù)領(lǐng)域依然不乏挑戰。靈敏度低、樣本活性限制以及成本高昂，這些問(wèn)題成為了單細胞相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的巨大阻礙。而現在，國內的先進(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(kāi)發(fā)單細胞測序技術(shù)平臺的初創(chuàng )企業(yè) M20 Genomics（以下簡(jiǎn)稱(chēng) M20）完成了數千萬(wàn)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 團隊已研發(fā)基于微流控平臺的新一代國產(chǎn)單細胞 RNA 測序技術(shù)，并完成原型機的制造。不僅大幅提高現有技術(shù)的 RNA 檢測靈敏度和覆蓋度，同時(shí)極大地拓寬了樣本的適用范圍。
據悉，M20 團隊成員長(cháng)期從事單細胞測序技術(shù)的研究及相關(guān)轉化，其科學(xué)家團隊曾自主研發(fā)了基于微孔單細胞測序技術(shù)的第一代國產(chǎn)高通量單細胞測序平臺，并以此繪制了全球首個(gè)哺乳動(dòng)物細胞圖譜和人類(lèi)細胞圖譜。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 將加快平臺設施建設并持續增加研發(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(chǎng)商在該領(lǐng)域中的技術(shù)壟斷。檢測靈敏度大幅提升，進(jìn)一步擴展樣本范圍
2015 年，基于微流控和微孔板原理的高通量單細胞測序標記和建庫技術(shù)幾乎同時(shí)出現。前者基于流體力學(xué)原理實(shí)現細胞分選，適用于高通量、大規模的單細胞研究；后者利用大量的微孔完成細胞的捕獲，隨后進(jìn)行單細胞轉錄組文庫的構建。
2016 年，10X Genomics 率先推出了以微流控為基礎的高通量單細胞測序平臺 Chromium Controller 并憑此迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。該平臺以含有 75 萬(wàn)種 barcode 的油滴包裹的凝膠微珠（GEMs）作為技術(shù)核心，能在 10 分鐘內自動(dòng)完成多至 80,000 個(gè)細胞的捕獲。
據 M20 公司介紹，“當前市面上的單細胞測序技術(shù)，例如 BD、10X 等知名企業(yè)的設備，其對于待測樣本有很高的要求。需要至少達到 70% 及以上的細胞活性才可以檢測?！?/span>
然而實(shí)際上，臨床上的大部分樣本可能來(lái)自于凍存或福爾馬林固定、甚至石蠟包埋（FFPE）處理的組織。這些樣本的細胞活性非常差，遠遠低于 70%，以至于很難利用目前的單細胞測序技術(shù)檢測該類(lèi)樣本，即便檢測也很難取得有效的結果。
另一方面，單個(gè)細胞內檢測基因數量過(guò)低也是限制其應用的另一個(gè)瓶頸，將導致文庫復雜性與大小差異、數據缺失以及低捕獲率造成的信號干擾等問(wèn)題。
著(zhù)眼于該類(lèi)技術(shù)瓶頸，M20 團隊匯集包括浙江大學(xué)和良渚實(shí)驗室的科研人員，以及來(lái)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)單細胞 RNA 測序技術(shù)。
目前，M20 已經(jīng)完成了其單細胞測序儀原型機的組裝，在積極開(kāi)展內部測試的同時(shí)，還與浙江大學(xué)麾下的部分實(shí)驗室和醫院開(kāi)展合作
據該公司透露，目前已經(jīng)開(kāi)始接收包括一些醫院和實(shí)驗室寄送的樣本開(kāi)展單細胞測序服務(wù)。
從數據上看，M20 的單細胞測序平臺在新鮮樣本、凍存樣本和 FFPE 樣本的單細胞或單核中均能檢測到近萬(wàn)余個(gè)基因，并且實(shí)現了 RNA 的全長(cháng)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量約為 4000 基因 / 細胞。
不僅如此，M20 公司團隊還首次實(shí)現了在商業(yè)化微流控平臺上針對細菌的高通量單細胞 RNA 測序。
早期研究表明，將單細胞轉錄組測序技術(shù)應用至微生物研究時(shí)，細胞尺寸、細胞壁和核糖體 RNA 成為了極大的限制因素。同時(shí)受制于傳統的引物設計等原因，在細菌微生物領(lǐng)域極易造成檢出率低和檢測結果的高隨機性。
而現在，在直徑大小僅為細胞約百分之一的大腸桿菌中，M20 設備已經(jīng)達到單個(gè)細菌檢出上千基因的檢測水平。
這不僅意味著(zhù)單細胞測序技術(shù)將跨入微生物檢測領(lǐng)域，對于研究細菌的耐****、致病、持留及細菌與宿主的相互作用等方面來(lái)說(shuō)同樣將具備巨大的推動(dòng)作用助力繪制細胞圖譜 2.0—— 精度更高、擴展不同疾病類(lèi)型
可以說(shuō)，細胞是生命的基本單位。不同類(lèi)細胞之間存在廣泛的基因層面與表型差異，其中蘊含著(zhù)大量闡述疾病背后機理的密碼，亟待人類(lèi)進(jìn)一步的探索。
在此前的數百年時(shí)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胞進(jìn)行分類(lèi)和鑒定。
然而，人為進(jìn)行的細胞分類(lèi)與鑒定操作往往具有較大主觀(guān)性。相關(guān)業(yè)內人士介紹，“可以說(shuō)，在很長(cháng)一段時(shí)間內，人類(lèi)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，單細胞測序技術(shù)的出現帶動(dòng)了人們對于傳統細胞認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(lèi)對于細胞的認知進(jìn)入數字化時(shí)代。
2017 年，“細胞圖譜” 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。
細胞圖譜指的是人類(lèi)細胞圖譜計劃 （the Human Cell Atlas），暨基于單細胞高通量測序等技術(shù)繪制出人體中各種細胞類(lèi)型的完全目錄。其目的在于建立超精確的人類(lèi)生理學(xué)模型，從而加速新****研發(fā)與試驗進(jìn)程。
2020 年 3 月，浙江大學(xué)研究團隊基于其自主研發(fā)的微孔單細胞測序技術(shù)，針對 60 種人體組織樣品和 7 種細胞培養樣品進(jìn)行分析，系統性地繪制了跨越胚胎和成年兩個(gè)時(shí)期，涵蓋八大系統的人類(lèi)細胞圖譜 1.0。其研究成果發(fā)表于 Nature 雜志。
該項工作中，該研究團隊使用數字矩陣描述每一個(gè)細胞的特征，并對細胞進(jìn)行系統性分類(lèi)。不僅定義了多種此前未知的細胞種類(lèi)，還發(fā)現了一些特殊的表達模式。
同時(shí)，該研究團隊開(kāi)發(fā)了 scHCL 單細胞比對系統用于人體細胞類(lèi)型的識別，并搭建了人類(lèi)細胞藍圖網(wǎng)站（http://bis.zju.edu.cn/HCL/）。
目前，M20 的科研團隊已與浙江大學(xué)研究組合作，將共同利用最新的單細胞測序技術(shù)推進(jìn)細胞圖譜 2.0 的繪制工作。
“對比此前的細胞圖譜 1.0，我們將在 2.0 版本中將實(shí)現更高的檢測精度和通量?！盡20 公司介紹，不僅如此，其工作內容還將包括繪制不同疾病的細胞圖譜，以期回答疾病細胞如何分型以及疾病基因如何決定表型的核心問(wèn)題。
在未來(lái)，臨床醫生或將能夠通過(guò)參照正常的細胞狀態(tài)來(lái)鑒別異常的細胞狀態(tài)和起源市場(chǎng)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)和應用進(jìn)展方面受限之外，國內的單細胞測序技術(shù)由國外企業(yè)壟斷所帶來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題就是檢測成本居高不下。
市面上，10X Genomics 的設備成本達到了百萬(wàn)人民幣，試劑成本約 1 萬(wàn)人民幣 / 反應。在 2016 年推出首個(gè)單細胞測序平臺時(shí)，該公司收入為 2700 萬(wàn)美元，在 2020 年增長(cháng)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，大部分收益都貢獻給了行業(yè)壟斷導致的品牌溢價(jià)中。實(shí)際上，單細胞測序的檢測成本主要來(lái)源于兩部分：第一部分是前端單細胞測序的文庫構建，第二部分是測序。
“目前來(lái)說(shuō)，后端測序部分的成本很難降低。顯然，隨著(zhù)檢測細胞數目的增長(cháng)，測序成本也將線(xiàn)性增加?！盡20 公司介紹。
“不過(guò)對于前期文庫制備來(lái)說(shuō)，試劑和物料成本其實(shí)并不高。盡管進(jìn)口的文庫構建套件依然動(dòng)輒上萬(wàn)元，不過(guò)隨著(zhù)國產(chǎn)的測序設備及試劑逐步進(jìn)入市場(chǎng)，單細胞測序的費用有望大幅度降低?！?/span>
近幾年來(lái)，高通量單細胞測序技術(shù)在基礎生物學(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(chǎng)前景。
根據此前 Emergen Research 發(fā)布的數據，2019 年全球單細胞測序技術(shù)市場(chǎng)為 11.316 億美元，預計到 2027 年將達到 32.306 億美元。根據 10X Genomics 在 2021 年年中對外發(fā)布的分析預測材料中指出，該公司面臨的上下游市場(chǎng)容量將超過(guò) 150 億美元。
在這其中，全球 95% 以上的單細胞測序科研和應用市場(chǎng)都被 10X Genomics 等公司占據。
“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)展規劃，M20 公司表示：“首先要將產(chǎn)品做好，短期內的目標將是盡快完成并推出自動(dòng)化的設備。應用層面上，將會(huì )針對不同的樣本類(lèi)型擴展開(kāi)發(fā)出各類(lèi)適配的試劑套件?！?/span>
站在更長(cháng)遠的角度來(lái)看，憑借更高的靈敏度和更廣的樣本適用性，單細胞測序技術(shù)的下游應用領(lǐng)域有望被進(jìn)一步擴展。
不僅僅是細胞圖譜工作，包括免疫治療，抗生素耐****等具體的應用場(chǎng)景將有待開(kāi)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。