银湾细胞：自主研发高通量、多通道单细胞测序设备，样机投入科研应用

银湾细胞(InOneCell)的CEO兼创始人林巍博士告诉动脉网,最初接触到单细胞测序是在2014年。彼时,Bulk RNA测序还是细胞活检组织转录组研究的主要手段,通过将组织中RNA释放出来,然后进行全转录组的高通量定量检测。

“2012年美国上市公司Fluidigm推出了C1系统,96个单细胞腔体的Smart-Seq cDNA建库解决方案,使得对96个细胞进行RNA测序和定量成为可能。我有一种强烈的直觉,对于成千万上亿的细胞而言,仅取96个采样细胞测定来描述细胞特性是有局限的,但有精细的检测已足够令人兴奋,一旦细胞通量提高到成千上万,那么单细胞测序的应用场景就会有无限可能。”林巍博士回忆道。

在接下来的3年多,正如林巍博士预料,高通量单细胞测序新技术的快速发展使得该领域推进到当前这样一个市场引爆点。单从科研服务的全球市场规模来看,已经达到了每年5-6亿美元,并且还在以每年17%左右的增长率迅速增长。

2016年,10x Genomics推出了首款单细胞高通量测序仪器Chromium,从设备层面实现了单细胞高通量cDNA建库。该企业在Nasdaq上市,目前是单细胞基因测序领域的旗舰企业,2020年初市值曾高达100亿美元。同时期,林巍博士所在实验室也启动单细胞测序项目开发,并与合作者陆续发表了基于液滴高通量单细胞技术框架应用的相关研究论文。

团队:化学生物学背景与光电测控技术背景联合

创立银湾细胞之前,林巍是清华大学计算机生物学博士,随后在美国国立卫生院癌症研究所担任博士后,曾先后担任美国财富500强政府咨询公司SAIC资深研究员,冷泉港功能基因组实验室资深生物信息专家,并且在德州达拉斯贝勒医学中心免疫研究所课题组主任(独立PI)。他曾在《Nature》《Science》《Cell》等顶级杂志中以主要参与人身份发表多篇论文,是单细胞系统开发和应用专家。

银湾细胞CEO兼创始人林巍博士

团队另一技术核心成员王春明博士是林巍博士贝勒医学中心免疫研究所博士后,在生物信号检测、微流控芯片技术实施,二代深度测序在生物医学领域的应用开发等领域有着多年的研究经验。

2016年,林巍博士携团队在贝勒医学中心的实验室首次产生高通量单细胞测序数据,“早期我们使用的是那种组装的开放式系统来生产数据,把微流控系统、试剂盒,各种技术模块组合起来。” 林巍博士描述道,“这些开放的平台提供科研服务绰绰有余,而且灵活性很高,但从终端缺少相关特殊实验技能的用户角度来看,如果能够有整机一体化的设备,则使用更为便利可靠,受众更广。就像Illumina NGS设备在临床检验扮演的角色一样,单细胞测序快速建库设备的投放、相关检测成本的降低,以及大规模临床检测应用场景的出现是行业发展的必然趋势。”

2018年初,林巍博士团队回到中国,与西北大学国家微检测工程中心合作进行单细胞测序。中科院西安光机所团队的加入使得系统优化和整机一体化设备的实现更近一步。“团队一部分是化学生物学背景,另一部分是光电测控技术背景。从产业链的角度来看,无论是整机一体化、微流控芯片、反应微球等试剂耗材的生产,还是生信分析服务均有极大优势,可以全方位切入单细胞测序领域。”林巍博士介绍道。

更重要的是,来自于中科院西安光学精密机械研究所光电跟踪与测量领域多位资深专家和高级工程师加入了团队。经过短短一年的尝试,林巍博士团队的单细胞设备研发就取得阶段性成果。

与此同时,团队还发表了单细胞转录组智能识别论文,并启动肿瘤单细胞图谱计划,2019年6月,推出了首款高通量、多通道检测的单细胞cDNA自动化建库设备样机,林巍博士与包括希望之城转化基因组研究所、Scripps研究所、索尔克研究所、上海交大仁济医院、中南大学湘雅医院的国内外多家知名科研和临床机构建立了深度合作。

自主开发核心原件、控制耗材成本

近年来,单细胞测序和研究课题快速增长,数据显示,2019年,Pubmed中已发表1338篇科学文献,相较于2018年的661篇,同比增长102．4%。但单细胞测序试剂、耗材、技术服务等价格居高不下,以10x Genomics为例,一个单细胞组织样本的数据产生服务费为2万-4万,数据分析较数据产生难度更高,服务费支出也更大。

“如果将数据产生服务费降到1万以下,单细胞测序市场必然会快速膨胀,达到市场可支付的水平。一个强大的新检测技术就好比一个小孩子得到了一台显微镜,如果不是成本限制,他会把沙粒、树叶、小虫这样的东西都放在显微镜下看看以满足人们强大的好奇心。”林巍博士表示,“国内单细胞测序企业的产业布局目前是,大量第三方科研服务商采购设备,再向其他科研单位提供专业复杂的单细胞测序服务。但是单细胞RNA测序有较高的样本新鲜度的要求,如果能够在终端用户便利使用,则更为理想,这也是我们选择切入产业的方向,从易于操作的整机一体化单细胞测序文库检测设备开发和生产切入,充分发挥合作团队光电测控技术的优势,生产出性能优越操作简单的设备,并努力降低数据产生的成本,快速建立市场优势。” 据林巍博士的介绍,团队整机优化之后新平台的试剂耗材成本还不到市场对标企业的1/3。

从整体来看,单细胞测序是从单个细胞水平上对包括DNA和RNA的遗传物质进行测序,以单细胞为单元实现定性和定量, 从而识别高度复杂的多细胞组织的类型、功能,特定细胞健康或状态的变化、变异。而常规的基于样本全细胞的检测,都是在大量细胞的整体水平上,对整个组织细胞群进行遗传分析,失去了很多细节。

从操作流程来看,单细胞测序技术的核心需要对来自不同细胞的遗传物质进行细胞身份的标记的设备,然后在此基础上进行NGS深度测序。

单细胞制备通常采用机械法、酶解法或其他组合方案将组织解离消化,形成单细胞的悬浮缓冲液。单细胞分离与DNA/cDNA捕获标记是单细胞测序的关键步骤,与最终单细胞数据的质量、精准度息息相关,其中,高效的微流控芯片和精密的光电测控是单细胞分离捕获的技术关键。

在单细胞测序设备的核心技术元件方面,银湾细胞团队已经实现了大部分元件的自主化生产。

正如单细胞测序是NGS深度测序的应用场景之一,是NGS的衍生应用。NGS作为一种中枢节点的生物技术,覆盖到多个应用领域并衍生出各类深度测序相关应用场景,例如基因组、表观遗传组、微生物组、宏基因组测序等。林巍博士展望道,单细胞测序本身也将成为另外一个新的中枢节点的生物技术,像NGS深度测序技术引领一个新产业。他期待凡是以多细胞组织为研究对象的检测应用场景, 银湾细胞所研制的新型单细胞设备也能将像Illumina 的NGS测序设备一样扮演重要角色。

银湾细胞单细胞测序设备

据透露,银湾细胞已经与多家国内外知名科研和医疗单位建立合作,投放设备,开展科研合作活动,同步测试和优化设备和技术陆续,并进行试剂与耗材销售等。科研合作以共同发表学术论文为目标,而非仅仅提供设备、试剂、耗材,产生单细胞数据或者提供生信分析服务。对单细胞测序的上下游技术应用进行全面市场布局。

目前,银湾细胞正在进行天使轮融资,资金将用于实现单细胞测序整机一体化设备新功能的实现,团队建设等。

作者:曹弦