学术研究报告：基于半透性胶囊的高通量单细胞组学研究
一、研究团队与发表信息
本研究由立陶宛维尔纽斯大学生物技术研究所的Denis Baronas、Simonas Norvaisis等团队主导，合作单位包括国家癌症中心、干细胞生物学研究所等机构。通讯作者为Linas Mazutis教授。研究成果以”High-throughput single cell omics using semipermeable capsules”为题，于2025年12月18日发表在*Science*期刊（DOI: 10.1126/science.ady7227）。
二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于单细胞组学（single-cell omics）技术开发领域，旨在解决现有技术的局限性。
研究背景：当前单细胞组学技术（如微流控液滴法）存在两大瓶颈：
1. 液滴生成后无法更换试剂，限制多步反应灵活性；
2. 微孔板技术通量低且反应体积大。
研究目标：开发一种结合微流控高通量与微孔板灵活性的半透性胶囊（semipermeable capsules, SPCs）技术平台，实现：
- 单细胞核酸的高效保留（>300 bp）
- 蛋白质的自由扩散（<200 kDa）
- 长期细胞培养与克隆扩增
三、研究流程与方法创新
1. SPCs的制备与表征
- 材料体系：采用葡聚糖（dextran）-甲基丙烯酰化明胶（gelMA）双水相系统（aqueous two-phase system, ATPS），通过微流控技术生成核心-壳结构胶囊（直径35-260 μm可调，壳厚2 μm）。
- 物理特性：
- 机械稳定性：可耐受离心、冻融循环及高温（图S3）
- 选择性通透性：保留>300 bp核酸，允许160 kDa蛋白质自由扩散（图1E-F）
- 创新方法：通过调节gelMA浓度和微流控参数实现胶囊尺寸与壳厚的精确控制（图S2）。
2. 多功能应用验证
- 核酸分析：
- 单分子数字PCR（图2B）：在SPCs内实现单DNA分子扩增（λ=0.3），荧光信号与预期一致
- 单细胞全基因组测序：通过”拆分-合并”（split-and-pool）策略标记36864种条形码，双链体率%（图S5）
- 细胞培养：
- 悬浮/贴壁细胞可形成单细胞来源的类器官（图3B），胶囊可膨胀2倍而不破裂
- 微生物（如大肠杆菌）可在SPCs内形成等基因微菌落（图S4F）
3. CAPseq单细胞转录组技术开发
- 工作流程（图4A）：
1. 细胞裂解：4M硫氰酸胍（GuSCN）裂解液显著提高中性粒细胞回收率（图4C）
2. 三步条形码标记：通过逆转录（RT）、两次连接反应引入BC1-BC3条形码，生成1000万种组合
3. 发卡接头连接：挽救未模板转换的cDNA，转录本捕获效率提升3倍（图S7）
- 性能验证：
- K-562/NIH3T3细胞测序：平均每细胞检测>10,000转录本、>3,000基因（图4B）
- 中性粒细胞检测灵敏度优于现有平台（图4D）
4. 急性髓系白血病（AML）应用
- 样本队列：8例AML患者、5例化疗后中性粒细胞减少症患者、4例健康对照、5例G-CSF治疗者（图S8）
- 主要发现：
- 白血病细胞表型：鉴定出HSPC-like（CD200高/低）、GMP-like、髓单核细胞三种亚群（图5B），与ELN2022风险分层一致（图S11G）
- 成熟免疫细胞功能障碍：
- 粒细胞表达干细胞相关基因（如IGF2BP2、FLT3）（图5D）
- 单细胞RNA流式分选：通过FACS富集mir181a1hg lncRNA阳性细胞（图6E-G）
四、主要结果与科学逻辑
1. SPCs物化特性验证：通过电子显微镜（图1B-C）、DNA保留实验（图1E）和蛋白质扩散动力学（图1F）证实其作为反应容器的可行性，为后续应用奠定基础。
2. CAPseq技术优化：针对中性粒细胞RNA含量低、核酸酶丰富的特点，开发强变性裂解与发卡接头挽救策略，解决了现有平台回收率低的问题（图4C-D）。
3. AML分子机制：发现成熟髓系细胞异常表达干细胞标志物（如MEIS1），提示AML可能通过表观重编程导致免疫细胞功能失调（图5D-E）。
五、研究结论与价值
科学价值：
- 提出首个兼具微流控通量与微孔板灵活性的SPCs平台，突破单细胞多组学技术瓶颈
- 揭示AML患者成熟免疫细胞的”干性”特征，为疾病机制提供新视角
应用价值：
- CAPseq技术可应用于临床样本（如血液肿瘤）的单细胞分析
- SPCs的长期培养能力为类器官研究、药物筛选提供新工具
六、研究亮点
1. 技术创新：
- 首创液态核心半透性胶囊设计，避免水凝胶的空间位阻效应
- 开发”裂解-标记-分选-测序”一体化工作流（图6D）
2. 方法普适性：SPCs支持DNA测序、RNA检测、细胞培养等多种应用（图2-3）
3. 临床意义：首次在AML患者外周血中系统鉴定免疫细胞功能障碍的转录特征
七、其他重要发现
- 甲醇固定法可长期保存白细胞转录组状态（图S8）
- 胶原酶处理可快速释放SPCs内活细胞（图3C），支持下游功能实验
（注：文中所有图表索引均引用自原文献）