專訪M20 Genomics丨「拒絕成為模仿者和跟隨者」新一代國(guó)產(chǎn)單細(xì)胞測(cè)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(cè)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(guó)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(cè)序技術(shù)平臺(tái)的初創(chuàng)企業(yè) M20 Genomics（以下簡(jiǎn)稱 M20）完成了數(shù)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(tuán)隊(duì)已研發(fā)基于微流控平臺(tái)的新一代國(guó)產(chǎn)單細(xì)胞 RNA 測(cè)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(cè)靈敏度和覆蓋度，同時(shí)極大地拓寬了樣本的適用范圍。
據(jù)悉，M20 團(tuán)隊(duì)成員長(zhǎng)期從事單細(xì)胞測(cè)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(cè)序技術(shù)的第一代國(guó)產(chǎn)高通量單細(xì)胞測(cè)序平臺(tái)，并以此繪制了全球首個(gè)哺乳動(dòng)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(guó)生物信息學(xué)十大進(jìn)展”。
本輪融資之后，M20 將加快平臺(tái)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(guó)外廠商在該領(lǐng)域中的技術(shù)壟斷。檢測(cè)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(cè)序標(biāo)記和建庫(kù)技術(shù)幾乎同時(shí)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(kù)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(cè)序平臺(tái) Chromium Controller 并憑此迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。該平臺(tái)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(nèi)自動(dòng)完成多至 80,000 個(gè)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(cè)序技術(shù)，例如 BD、10X 等知名企業(yè)的設(shè)備，其對(duì)于待測(cè)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(cè)。”
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(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(cè)序技術(shù)檢測(cè)該類樣本，即便檢測(cè)也很難取得有效的結(jié)果。
另一方面，單個(gè)細(xì)胞內(nèi)檢測(cè)基因數(shù)量過低也是限制其應(yīng)用的另一個(gè)瓶頸，將導(dǎo)致文庫(kù)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(hào)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(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(guó)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(tái)的新一代國(guó)產(chǎn)單細(xì)胞 RNA 測(cè)序技術(shù)。
目前，M20 已經(jīng)完成了其單細(xì)胞測(cè)序儀原型機(jī)的組裝，在積極開展內(nèi)部測(cè)試的同時(shí)，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(cè)序服務(wù)。
從數(shù)據(jù)上看，M20 的單細(xì)胞測(cè)序平臺(tái)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(cè)到近萬(wàn)余個(gè)基因，并且實(shí)現(xiàn)了 RNA 的全長(zhǎng)測(cè)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(tái)上針對(duì)細(xì)菌的高通量單細(xì)胞 RNA 測(cè)序。
早期研究表明，將單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)應(yīng)用至微生物研究時(shí)，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(shí)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(cè)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(gè)細(xì)菌檢出上千基因的檢測(cè)水平。
這不僅意味著單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)將跨入微生物檢測(cè)領(lǐng)域，對(duì)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(lái)說同樣將具備巨大的推動(dòng)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(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(duì)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(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人類對(duì)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(cè)序技術(shù)的出現(xiàn)帶動(dòng)了人們對(duì)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(duì)于細(xì)胞的認(rèn)知進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代。
2017 年，“細(xì)胞圖譜” 登錄《麻省理工科技評(píng)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(cè)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(cè)序技術(shù)，針對(duì) 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(gè)時(shí)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(gè)細(xì)胞的特征，并對(duì)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(shí)，該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了 scHCL 單細(xì)胞比對(duì)系統(tǒng)用于人體細(xì)胞類型的識(shí)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(cè)序技術(shù)推進(jìn)細(xì)胞圖譜 2.0 的繪制工作。
“對(duì)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(cè)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(lái)，臨床醫(yī)生或?qū)⒛軌蛲ㄟ^參照正常的細(xì)胞狀態(tài)來(lái)鑒別異常的細(xì)胞狀態(tài)和起源市場(chǎng)容量超百億，“性能 + 成本” 將成國(guó)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(guó)內(nèi)的單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)由國(guó)外企業(yè)壟斷所帶來(lái)的另一個(gè)問題就是檢測(cè)成本居高不下。
市面上，10X Genomics 的設(shè)備成本達(dá)到了百萬(wàn)人民幣，試劑成本約 1 萬(wàn)人民幣 / 反應(yīng)。在 2016 年推出首個(gè)單細(xì)胞測(cè)序平臺(tái)時(shí)，該公司收入為 2700 萬(wàn)美元，在 2020 年增長(zhǎng)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(cè)序的檢測(cè)成本主要來(lái)源于兩部分：第一部分是前端單細(xì)胞測(cè)序的文庫(kù)構(gòu)建，第二部分是測(cè)序。
“目前來(lái)說，后端測(cè)序部分的成本很難降低。顯然，隨著檢測(cè)細(xì)胞數(shù)目的增長(zhǎng)，測(cè)序成本也將線性增加?！盡20 公司介紹。
“不過對(duì)于前期文庫(kù)制備來(lái)說，試劑和物料成本其實(shí)并不高。盡管進(jìn)口的文庫(kù)構(gòu)建套件依然動(dòng)輒上萬(wàn)元，不過隨著國(guó)產(chǎn)的測(cè)序設(shè)備及試劑逐步進(jìn)入市場(chǎng)，單細(xì)胞測(cè)序的費(fèi)用有望大幅度降低?！?/span>
近幾年來(lái)，高通量單細(xì)胞測(cè)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(chǎng)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(cè)序技術(shù)市場(chǎng)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(duì)外發(fā)布的分析預(yù)測(cè)材料中指出，該公司面臨的上下游市場(chǎng)容量將超過 150 億美元。
在這其中，全球 95% 以上的單細(xì)胞測(cè)序科研和應(yīng)用市場(chǎng)都被 10X Genomics 等公司占據(jù)。
“如果一味跟隨和模仿國(guó)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(jìng)爭(zhēng)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(dòng)化的設(shè)備。應(yīng)用層面上，將會(huì)針對(duì)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(zhǎng)遠(yuǎn)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(xì)胞測(cè)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(chǎng)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。