[发明专利]高通量单细胞转录组与基因突变整合分析一体化装置

说明书

本发明公开了一种高通量单细胞转录组与基因突变整合分析一体化装置，包括高通量单细胞编码芯片和整合分析装置；所述整合分析装置包括壳体以及设置在所述壳体内的温控热循环模块、荧光成像模块和数据存储分析模块，所述荧光成像模块包括光源组件、显微物镜、荧光分光组件和成像探测器。本发明通过设计具有微孔空间坐标、细胞核酸标签和分子核酸标签的三重编码功能的高通量单细胞编码芯片，可将单细胞的基因突变、转录组和蛋白表达信息一一对应起来；再通过温控热循环模块可实现PCR扩增，通过荧光成像模块采集样品的荧光图像，通过数据存储分析模块对荧光图像进行存储于分析，能实现单细胞转录组与基因突变整合分析。

技术领域

本发明涉及生物检测领域，特别涉及一种高通量单细胞转录组与基因突变整合分析一体化装置。

背景技术

肿瘤是严重影响人类健康的重大疾病之一，肿瘤细胞从基因型到表型上存在极大的差异(肿瘤的高度异质性)，而这种高度异质性与肿瘤的恶性程度、耐药性、复发转移等都密切相关，是造成肿瘤早期诊断困难、临床诊治复杂、耐药复发和预后差的根源之一。全面解析肿瘤异质性是实现肿瘤精准治疗的关键。

高通量测序技术的发展为解析异质性肿瘤群体带来希望。目前各种组学水平的常规高通量测序成为肿瘤异质性群体研究的常用手段，用来发现新的遗传变异或异常通路，探索新的发病或耐药机制等。然而目前基于bulk(混合群体)的常规高通量测序技术无法克服肿瘤细胞高度异质性的难题，仅能通过大样本人群研究发现关键主克隆变异及通路改变，难以实现对单个患者异质性克隆群体的全面解析，成为实现肿瘤精准治疗的瓶颈。近年来新兴的单细胞测序技术为解析肿瘤异质性、鉴别不同功能亚群提供了可能。单细胞测序能够获得每个细胞的基因组变异图谱及转录组表达图谱，通过单个细胞的图谱精确划分克隆归属，实现对异质性克隆群体的全面解析。Timothy A.Graubert团队将一例已通过全基因组测序与靶向深度测序进行全面刻画的继发白血病样本进行了单细胞基因组分型测序，仅通过12个细胞DNA测序数据即发现了之前被认为是一个亚克隆的群体其实是由两个互斥的亚克隆构成，充分说明单细胞测序的优势和其在多克隆研究中的必要性。然而早期的单细胞测序技术往往通量低，成本高，一定程度上限制了精确分析并追踪异质性群体变化的分析。2016年10x Genomics公司推出的10x Chromium Single Cell Gene ExpressionSolution平台实现了高通量的单细胞转录组测序，具有周期短、成本低、细胞捕获率高等优势，在发育生物学及肿瘤异质性群体研究中应用广泛，在转录组水平实现对异质性肿瘤群体的全面刻画。

然而对于基因组变异驱动的恶性肿瘤群体，仅从转录组水平无法实现对肿瘤群体的鉴定以及功能异质性的解析。研究者开始着眼于基于单细胞水平的多组学研究平台，10x和BD公司分别实现单细胞转录组与单细胞染色质开放性(ATAC-seq)或单细胞蛋白质组的结合。然而，对于肿瘤异质性研究中最需要的单细胞转录组与基因组信息的整合平台，目前尚无成熟技术。对此，来自不同实验室的研究者进行了大量尝试，目前大部分技术仍然依赖同时将单个细胞中的转录组与基因组进行分离而分别测序，操作繁琐且通量较小。对转录组和基因组同时测序的技术又面临扩增效率低下或等位基因扩增偏好等难题，近期新提出的Target-seq技术针对肿瘤群体设计同时检测转录组及特异基因突变的技术，也说明了肿瘤研究中对该技术的需求，但该技术仍处于实验室水平，仍然无法实现一次上千细胞数的分析。另外，Peter Van Galen等人在Cell发表文献，通过单细胞转录本与三代测序技术相结合，首次实现对白血病患者肿瘤群体(以基因组变异为金标准)中转录组异质性的解析，发现肿瘤群体存在于表达谱不同的多种谱系中，明确了基因组异质性与转录组异质性相互独立又相互影响的关系，也表明在单细胞转录组水平进一步明确细胞的基因组变异的重要性。然而，该研究中使用的三代测序检测突变的技术具有很大局限性，突变检出率受到具体突变位点的限制，单个突变检出率最高仅23％，平均可以检测到突变的细胞不超过5％，作者最终采用随机森林的机器学习算法预测肿瘤群体，无法实现对肿瘤细胞群体的直接鉴定，也没有将基因组与转录组异质性很好的对应。且该技术操作繁琐，样本需求量高，花费大，不适于全面推广。