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单细胞测序平台如何选?5种大规模单细胞测序平台性能详解

随着“人类细胞图谱”计划的开展,单细胞测序技术进入了2.0时代。单细胞测序技术使我们能够低成本、快速构建器官或者组织的大规模单细胞表达图谱,了解器官或组织内细胞复杂的基因网络,以及单细胞中的调控机制,进一步探究各细胞群体的协同方式。

众多大规模单细胞测序技术的出现让人眼花缭乱。目前,国内外研究机构使用的大规模单细胞测序平台主要有五种:Illumina® Bio-Rad® Single-Cell Sequencing Solution、BD Rhapsody™ Single-Cell Analysis System、10x Chromium Single Cell Gene Expression Solution、ICELL8 Single-Cell System和C1™ 单细胞全自动制备系统。它们各自的性能怎样?应用领域有什么不同?又有哪些优势?接下来小编将为你一一揭晓。

10x Chromium Single Cell Gene  Expression Solution

2016年2月,10x genomic公司推出Single Cell Gene Expression Solution平台,可对高通量的数字基因表达的复杂细胞群进行深入分析,生命科学研究进入了单细胞生物学时代。

该平台可通过快速高效的单细胞标记、测序和分析,获得单细胞水平的数字化基因表达谱,对复杂细胞群体进行深入细致分析,绘制大规模单细胞表达图谱。与其他大规模单细胞分选平台相比,通量高,周期快速,成本低,细胞捕获效率高,并且商业化仪器操作简便。但其对细胞活性要求较高,大于90%。

10 x Chromium Single Cell Gene Expression Solution

原理:基于10x genomics平台,利用微流控技术进行单个细胞分选,将带有条形码和引物的凝胶珠和单个细胞包裹在油滴中;在每个油滴内,凝胶珠溶解,细胞裂解释放mRNA,通过逆转录产生用于测序的带条形码的cDNA;液体油层破坏后,cDNA后续进行文库构建,使用Illumina测序平台对文库进行测序检测,即可一次性获得大量单细胞的基因表达数据,10min内自动完成多至80,000个细胞的捕获,从而达到在单细胞水平进行表达测序的目的。

10 x Chromium Single Cell Gene Expression Solution技术原理

应用领域:10 x Chromium Single Cell Gene Expression Solution能有效地解决组织样本无法破解的细胞异质性难题,有助于发现新的细胞类型;基于大量的单细胞基因表达数据,该平台还可进行细胞表达特征聚类、亚群表达特征、标志物筛选等方面的分析,是一种高效的细胞基因表达水平的检测技术,在发育与生殖、免疫、干细胞分化、肿瘤异质性、神经系统发育以及脑发育等研究领域中有着广泛的应用和研究结果发表。

优势:与其他高通量捕获平台相比,一次实验可完成多至80,000个细胞的捕获,通量最高,周期快速,成本最低;细胞捕获效率高,单个样本细胞捕获率高达65%;商业化仪器操作简便。

 BD Rhapsody™ Single-Cell Analysis System

BD公司推出的这款Rhapsod™单细胞分析系统采用了分子标签技术,能为单细胞中每个转录本标记特异性分子标签,实现单细胞水平上基因表达谱的绝对定量。同时,每个细胞也会被标记特异性细胞标签,使得高通量平行建库成为可能。结合Rhapsody特有的单细胞分离技术,单次实验可制备100-10000个单细胞文库,用户可根据需求定制引物,将检测范围集中在目标基因,大幅降低后续测序成本。

BD Rhapsod™单细胞分析系统

原理: BD Rhapsody™系统与WaferGen 公司的 ICELL8 平台的检测原理非常类似,都是基于微流控芯片技术。细胞悬液经注入孔注入后,自然沉降到反应孔中,随后, Beads 同样由注入孔注入,即可在单个反应孔中捕获其中的细胞。这里的 Beads 是刚性 Beads,捕获后在低温条件下可以保存3个月。Beads 上的序列结构与 10X Genomics 相似,可以捕获到游离 mRNA 的 polyA 尾。同时,该系统具有成像系统,在细胞捕获后,即可直观的看到细胞捕获数、细胞状态等信息。

优势:实现多样本混合捕获,微孔板的孔数高达22万个;具备成像系统,可观察细胞相关信息;可以实现转录组-蛋白组联合分析。

Illumina® Bio-Rad® Single-Cell Sequencing Solution

2017年1月17日,Illumina公司和Bio-Rad实验室公司在JP摩根健康大会上发布了Illumina® Bio-Rad® Single-Cell Sequencing Solution。ddSEQ System是单细胞分析的新一代测序(NGS)工作流程,可一次性检测8个样本,每个样本可以得到500~10000个细胞,研究单细胞在组织功能、病情进展和治疗反应方面的协同作用。与其他高通量捕获平台相比:Illumina® Bio-Rad®捕获效率低,仅为3%,但测序成本相对较低。

Illumina® Bio-Rad® Single-Cell Sequencing Solution

原理:借助Bio-Rad的Droplet Digital™液滴分离技术,该平台可对单个细胞进行隔离和编制条形码,完成单细胞的捕获、扩增、表达谱建库,然后在Illumina NextSeq500仪器进行下游测序,从而获得单个细胞表达谱数据。

该系统还可以使用BaseSpace® Informatics Suite,在Illumina的云端基因组学计算环境中进行初级和中级数据分析,并使用流式细胞分析技术的领先公司FlowJo, LLC所开发的SeqGeq™进行高级数据分析和可视化处理。

Illumina® Bio-Rad® Single-Cell Sequencing Solution工作流程

优势:操作简单、一次性可8个样本,捕获500~10000个单细胞,成本较低。

ICELL8 Single-Cell System

2015年2月份,Wafergen公司开发出ICELL8 Single-Cell System单细胞分选平台,该平台具有通量高,周期快等特点,解决了传统单细胞扩增中通量低,价格贵的问题,为需进行大量细胞捕获筛选的研究提供了高效单细胞分选平台。该平台的细胞捕获效率为30%,成本相对较低。

ICELL8 Single-Cell System

原理:基于微流控芯片的技术,ICELL8利用WaferGen SmartChip TE平台筛选细胞,平台拥有5184个反应孔,可进行单细胞RNA测序样本的制备、扩增、表达谱建库测序、生物信息分析,快速得到样本间的基因表达差异。

优势:相对而言,ICELL8的工作流程较简便,每次运行可分离500-1000个细胞,并在一定程度上降低了测序成本。

C1™ 单细胞全自动制备系统

Fluidigm公司推出的C1单细胞自动制备系统,与BioMark™ HD微流体PCR系统相结合(该系统在单细胞基因表达分析中被广泛采用),能够快速可靠地分离、处理、并对单一细胞进行基因组分析。但与其他高通量单细胞平台相比,其通量低、成本高、周期慢、对试验人员要求高,操作较繁琐和困难,因此目前主要在国内部分科研院所使用,较难应用于高通量单细胞研究。

C1™单细胞自动制备系统和BIOMARK™ HD系统

原理:C1单细胞自动制备系统微流体技术,可以同时捕获96个的细胞,在同一张芯片上完成细胞捕获、裂解、逆转录及预扩增的全过程。在BioMarkHD系统进行qPCR扩增,几个小时内即可检测数以百计的单细胞中数百个基因的表达,而这些工作在传统检测流程中通常要耗费几天的时间。

应用领域:该平台可获得单细胞全转录组信息,可应用于生殖发育、干细胞分化、检测单一细胞对特定刺激的反应、证实重要疾病生物标志物、验证RNA干扰沉默基因表达和实行候选药物筛选等研究领域。

优势:可以获取到转录组的全长信息,但是通量低,价格较贵。

综上可以看出,各个平台各有特点,其中10 X Chromium Single Cell Gene Expression Solution平台的通量高,周期快速,成本低,细胞捕获效率高,性能优势比较明显,并且商业化仪器操作简便;BD Rhapsody™ Single-Cell Analysis System作为更为开放的定制化平台,以及转录组测序与蛋白同时检测的平台,具有检测信息更完善、成本更低的优势,二者均广泛的应用于发育与生殖、免疫、干细胞分化、肿瘤异质性、神经系统发育以及脑发育等研究领域。研究人员可以根据研究的实际情况,选择最能满足试验需求的测序平台。

随着单细胞测序技术的不断完善,国内外单细胞的相关研究也在蓬勃发展。博奥晶典作为国内第一家引进10X Genomics平台的公司,率先在国内开展了上万级通量的单细胞转录组测序服务。目前,博奥晶典已经完成了1000多个样品、50种不同样品类型的服务,覆盖的物种和样品类型包括人和小鼠的肝脏、心脏、脑、血液、神经,以及鸡、斑马鱼、水稻、拟南芥等,成为国内在大规模单细胞测序方面经验较为丰富的公司。2018年3月,博奥晶典支持的10X Genomics单细胞转录组测序国内首篇科研论文发表在《PNAS》,点击链接,查看此前报道6月,该平台国内最高分科研论文在国际干细胞领域顶级期刊《Cell Stem Cell》发表。点击链接,查看此前报道

此外,博奥晶典已于2018年9月与BD(中国)成立单细胞研究联合实验室,致力于大规模单细胞测序产品的开发和打磨,目前可提供以下单细胞测序产品服务:

单细胞测序技术可谓科技发展史上的一大创举,它极大地推进了基因组学与癌症等疾病研究的进展。单细胞测序技术的不断更新和完善无疑为构建完整细胞图谱提供了技术基础。可以预见的是,未来综合多组学的单细胞测序方法将在复杂器官和组织研究中发挥愈发强大的作用。

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本文由 测序中国 作者:白云 发表,转载请注明来源!

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