單細胞技術(shù)因有望揭示“細胞功能異質(zhì)性機制”這一生命科學(xué)的本質(zhì)問題，從而解析各種慢性疾病（如癌癥、糖尿病和神經(jīng)退行性疾病）和衰老的分子基礎(chǔ)，是當前生物醫(yī)學(xué)的研究熱點和重點方向。單細胞技術(shù)在測序方面取得了進展；由于該技術(shù)具有無須標記、非侵入性、可同時展示胞內(nèi)代謝物（組）特征等優(yōu)點，逐漸得到學(xué)界關(guān)注。

近期，中國科學(xué)院上海高等研究院研究員呂軍鴻課題組先后與上海生物信息技術(shù)中心、納米技術(shù)及應(yīng)用國家工程研究中心、首都醫(yī)科大學(xué)天壇醫(yī)院、濱州醫(yī)學(xué)院、上海交通大學(xué)瑞金醫(yī)院等的科研人員合作，在單細胞紅外成像技術(shù)的數(shù)據(jù)處理方法、單細胞表型組、干細胞異質(zhì)性等研究中取得系列進展，相關(guān)研究成果陸續(xù)發(fā)布在Chemical Communications和Analytical Chemistry上。

針對不同批次處理和測量時，引入的與生物狀態(tài)不相關(guān)的系統(tǒng)性技術(shù)偏差這一單細胞技術(shù)的共性問題，研究人員從紅外光譜數(shù)據(jù)離散向量化、質(zhì)控與預(yù)處理、特征選取等環(huán)節(jié)入手，發(fā)展了一種對單細胞紅外光譜相似性進行評判的方法，并在不同類型、不同狀態(tài)的細胞光譜分析中得到了驗證，為分析單細胞紅外光譜數(shù)據(jù)提供了實驗基準和理論依據(jù)。相關(guān)研究成果以How many cells are enough for single-cell infrared spectroscopy為題，發(fā)表在Chemical Communications上（圖1）。

圖1 批次效應(yīng)對單細胞紅外光譜數(shù)據(jù)的影響與評價方法的建立

人類表型組是基因組之后生命科學(xué)研究的又一重點，是聯(lián)系生物體基因型和表型的橋梁。當前，單細胞表型分析（single cell phenotyping）得到的參數(shù)較少，不易精確反映生物樣品的全貌。研究人員利用紅外光譜，可同時靈敏地獲得細胞多種構(gòu)成成分結(jié)構(gòu)信息及其微小變化的特點，通過統(tǒng)計分析大量單細胞光譜數(shù)據(jù)，在國際首次提出單細胞紅外表型組（Single Cell Infrared Phenomics）的概念和表型分析策略。

利用該技術(shù)方法，實現(xiàn)了對低濃度中藥成分作用下腫瘤細胞的反應(yīng)評價，從而使作用靶點不明情況下的藥物篩選成為可能，也將為人類表型組研究提供全新手段。相關(guān)研究成果以Single-cell infrared phenomics: phenotypic screening with infrared microspectroscopy為題，發(fā)表在Chemical Communications上（圖2）。

圖2 單細胞紅外表型組與藥物篩選

細胞異質(zhì)性與干細胞分化、腫瘤耐藥等密切相關(guān)。當前，分析細胞種群中異質(zhì)性的方法多采用單細胞測序技術(shù)，樣品處理費事、費用昂貴。研究人員發(fā)展了一種基于單細胞同步輻射紅外顯微光譜和計算方法，進行細胞異質(zhì)性定量評估的新策略。通過計算紅外光譜數(shù)據(jù)的細胞間對細胞相似距離，即可量化特定細胞種群的異質(zhì)性，方法簡單快捷，所需樣品量也較少。

利用該方法，研究人員進一步獲得了成脂分化過程中人間充質(zhì)干細胞群體的動態(tài)異質(zhì)性變化狀態(tài)。這些發(fā)現(xiàn)為研究細胞異質(zhì)性提供了互補/替代方法。結(jié)合單細胞測序及其其他細胞分析技術(shù)，將有助于深入解析基因異質(zhì)性與表型異質(zhì)性之間的關(guān)系。相關(guān)研究成果以Single-Cell Infrared Microspectroscopy Quantifies Dynamic Heterogeneity of Mesenchymal Stem Cells during Adipogenic Differentiation為題，發(fā)表在Analytical Chemistry上（圖3）。

圖3 單細胞紅外顯微成像揭示了干細胞成脂分化過程中的動態(tài)異質(zhì)性

研究工作得到國家自然科學(xué)基金、上海光源顯微紅外光束線站的支持。中科院上海應(yīng)用物理研究所博士生王亞迪與上海生物信息技術(shù)中心博士戴文韜為論文的共同第一作者，呂軍鴻與上海健康醫(yī)學(xué)院研究員李雪玲為論文的共同通訊作者。合作者包括上海交通大學(xué)瑞金醫(yī)院研究員李園園團隊、濱州醫(yī)學(xué)院教授潘效紅團隊、首都醫(yī)科大學(xué)天壇醫(yī)院教授陳峰等。

責任編輯：xj

原文標題：上海高研院等在同步輻射單細胞紅外顯微成像研究中獲進展

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