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繪制人類細(xì)胞圖譜,加速新藥研發(fā)

摘要:許多細(xì)胞類型無法用普通的顯微鏡進(jìn)行區(qū)分。為此,科學(xué)家們想要通過分析細(xì)胞在人體中的位置,輔以“分子指紋”,整理出人體細(xì)胞的完整圖譜。

  人類細(xì)胞圖譜(TheCellAtlas)是一項(xiàng)為人體細(xì)胞做分類的龐大工程,有望徹底改變醫(yī)生和研究人員對疾病的理解、診斷和治療。

  為什么是細(xì)胞?

  細(xì)胞是人體最基本的單位,但我們卻對它們知之甚少。教科書上說,人體內(nèi)大約有300種細(xì)胞。這些細(xì)胞中的一些在血液中運(yùn)載氧氣,一些在大腦中負(fù)責(zé)思考,另一些則讓你能欣賞周圍的世界。但實(shí)際上,人體細(xì)胞的種類或許遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了300種。斯坦福大學(xué)的StephenQuake教授認(rèn)為,這一數(shù)字也許將達(dá)到10000。人類離認(rèn)清自己,還有很遠(yuǎn)。

  這里的難點(diǎn)在于,許多細(xì)胞類型無法用普通的顯微鏡進(jìn)行區(qū)分。為此,科學(xué)家們想要通過分析細(xì)胞在人體中的位置,輔以“分子指紋”,整理出人體細(xì)胞的完整圖譜。理想的情況下,這份圖譜能夠列全人體內(nèi)的所有細(xì)胞類型。

  對于科學(xué)家與新藥研發(fā)人員來說,這份圖譜或許意義重大。一方面,科學(xué)家們可以通過免疫細(xì)胞種類的變化,探知癌癥發(fā)病對身體造成的影響,從而找到潛在的治療方案;另一方面,藥物研發(fā)人員能夠在特定的細(xì)胞類型中檢測藥物是否有效,提高研發(fā)成功率。

  想要獲取這份圖譜并非易事。幸好,我們有日新月異的科學(xué)。

  如何繪制細(xì)胞圖譜?

  《麻省理工科技評論》在去年的一篇報(bào)道中認(rèn)為,Quake教授等科學(xué)家們的發(fā)明讓分離單細(xì)胞成為可能,這也成為了細(xì)胞圖譜繪制的基礎(chǔ)之一。利用微流體芯片,科學(xué)家們能夠用油或水組成的氣泡包裹住每一個(gè)細(xì)胞,并把它們送往測序儀,挨個(gè)進(jìn)行基因分析。

  “這無疑是當(dāng)下生物學(xué)領(lǐng)域最熱的項(xiàng)目之一,所有人都想這么干。”哈佛大學(xué)的分子生物學(xué)家EvanMacosko教授說。

  利用這些基因分析,研究人員可以知道每一個(gè)細(xì)胞內(nèi)正在嘗試合成哪些蛋白。這些就像是指紋一樣,將細(xì)胞歸類成不同的群體。利用這個(gè)方法,Macosko教授已經(jīng)在視網(wǎng)膜和大腦中找到了好幾種先前從未被報(bào)道過的細(xì)胞類型。研究的成本,僅僅是單細(xì)胞17美分。

  這還只是一個(gè)開端。盡管在單細(xì)胞測序上取得了突破,科學(xué)家們?nèi)匀幌嘈爬L制細(xì)胞圖譜的過程有進(jìn)一步提高的空間。Quake教授表示,斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、以及加州大學(xué)舊金山分校想要進(jìn)一步發(fā)展相關(guān)科技,讓研究人員能直接從組織樣本中分析細(xì)胞,并讀取他們的分子指紋。

  這樣一來,我們不僅能分門別類地統(tǒng)計(jì)所有的細(xì)胞類型,還能夠真正地打造出一張地圖,好好標(biāo)記上人體37.2萬億個(gè)細(xì)胞的位置,并且理解他們?nèi)绾蜗嗷プ饔谩?/p>

  多方參與的龐大項(xiàng)目

  人類細(xì)胞圖譜是150多年來生物學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。單細(xì)胞基因組學(xué)等工具已將它無限推近現(xiàn)實(shí)。但像這樣一個(gè)雄心勃勃的計(jì)劃,依然需要生物學(xué)家、臨床醫(yī)生、物理學(xué)家、計(jì)算科學(xué)家、軟件工程師和數(shù)學(xué)家的國際社會協(xié)作。

  去年10月,在倫敦舉行的一次國際會議上,眾多科學(xué)家們進(jìn)一步討論了人類細(xì)胞圖譜的繪制計(jì)劃,并制定了一系列的項(xiàng)目。這些項(xiàng)目包括:

  了解極高分辨率下的人類免疫系統(tǒng);

  了解中樞和周邊神經(jīng)系統(tǒng)不同部位存在的不同細(xì)胞類型;

  了解遍布器官內(nèi)外,并起到保護(hù)血管作用的上皮組織;

  以單細(xì)胞分辨率了解癌癥患者的腫瘤細(xì)胞。這包括了惡性細(xì)胞、周圍正常細(xì)胞和免疫細(xì)胞。

  這些項(xiàng)目不僅將揭示有趣的生物學(xué)現(xiàn)象,還將告訴我們繪制細(xì)胞圖譜時(shí),如何采取高效的采樣和分析策略。

  據(jù)統(tǒng)計(jì),目前主要參與人類細(xì)胞圖譜研究的頂尖機(jī)構(gòu)包括英國桑格研究所(SangerInstitute)、麻省理工學(xué)院、布羅德研究所(BroadInstitute)、以及“ChanZuckerbergBiohub”研究所。

  “它正在逐漸成形,”Quake教授說:“我認(rèn)為2017年對細(xì)胞圖譜來說,會是重大的一年。”

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