專訪M20 Genomics丨「拒絕成為模仿者和跟隨者」新一代國產單細胞測序技術將打破樣本限制，實現更高靈敏度

在實現了高通量、多組學等技術突破之后，當前的單細胞測序技術領域依然不乏挑戰。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胞相關領域發展的巨大阻礙。而現在，國內的先進研究者正在試圖打造新一代 “利器” 以解決困境。
近日，致力于開發單細胞測序技術平臺的初創企業 M20 Genomics（以下簡稱 M20）完成了數千萬人民幣融資，本輪融資由啟明創投和巢生資本聯合投資。目前，M20 團隊已研發基于微流控平臺的新一代國產單細胞 RNA 測序技術，并完成原型機的制造。不僅大幅提高現有技術的 RNA 檢測靈敏度和覆蓋度，同時極大地拓寬了樣本的適用范圍。
據悉，M20 團隊成員長期從事單細胞測序技術的研究及相關轉化，其科學家團隊曾自主研發了基于微孔單細胞測序技術的第一代國產高通量單細胞測序平臺，并以此繪制了全球首個哺乳動物細胞圖譜和人類細胞圖譜。相關成果先后發表于 Cell 和 Nature 期刊，并入選 2020 年 “中國生物信息學十大進展”。
本輪融資之后，M20 將加快平臺設施建設并持續增加研發投入，以加速產品的制造及量產進程，有望打破國外廠商在該領域中的技術壟斷。檢測靈敏度大幅提升，進一步擴展樣本范圍
2015 年，基于微流控和微孔板原理的高通量單細胞測序標記和建庫技術幾乎同時出現。前者基于流體力學原理實現細胞分選，適用于高通量、大規模的單細胞研究；后者利用大量的微孔完成細胞的捕獲，隨后進行單細胞轉錄組文庫的構建。
2016 年，10X Genomics 率先推出了以微流控為基礎的高通量單細胞測序平臺 Chromium Controller 并憑此迅速占領市場。該平臺以含有 75 萬種 barcode 的油滴包裹的凝膠微珠（GEMs）作為技術核心，能在 10 分鐘內自動完成多至 80,000 個細胞的捕獲。
據 M20 公司介紹，“當前市面上的單細胞測序技術，例如 BD、10X 等知名企業的設備，其對于待測樣本有很高的要求。需要至少達到 70% 及以上的細胞活性才可以檢測。”
然而實際上，臨床上的大部分樣本可能來自于凍存或福爾馬林固定、甚至石蠟包埋（FFPE）處理的組織。這些樣本的細胞活性非常差，遠遠低于 70%，以至于很難利用目前的單細胞測序技術檢測該類樣本，即便檢測也很難取得有效的結果。
另一方面，單個細胞內檢測基因數量過低也是限制其應用的另一個瓶頸，將導致文庫復雜性與大小差異、數據缺失以及低捕獲率造成的信號干擾等問題。
著眼于該類技術瓶頸，M20 團隊匯集包括浙江大學和良渚實驗室的科研人員，以及來自麻省理工學院、杜克大學、加州大學洛杉磯分校和北京大學等多所國內外頂尖高校的科學家和管理人才，研發了基于微流控平臺的新一代國產單細胞 RNA 測序技術。
目前，M20 已經完成了其單細胞測序儀原型機的組裝，在積極開展內部測試的同時，還與浙江大學麾下的部分實驗室和醫院開展合作
據該公司透露，目前已經開始接收包括一些醫院和實驗室寄送的樣本開展單細胞測序服務。
從數據上看，M20 的單細胞測序平臺在新鮮樣本、凍存樣本和 FFPE 樣本的單細胞或單核中均能檢測到近萬余個基因，并且實現了 RNA 的全長測序。相比之下，10X 旗下 v3.1 Chemistry 版本試劑能夠支持的檢出基因數量約為 4000 基因 / 細胞。
不僅如此，M20 公司團隊還首次實現了在商業化微流控平臺上針對細菌的高通量單細胞 RNA 測序。
早期研究表明，將單細胞轉錄組測序技術應用至微生物研究時，細胞尺寸、細胞壁和核糖體 RNA 成為了極大的限制因素。同時受制于傳統的引物設計等原因，在細菌微生物領域極易造成檢出率低和檢測結果的高隨機性。
而現在，在直徑大小僅為細胞約百分之一的大腸桿菌中，M20 設備已經達到單個細菌檢出上千基因的檢測水平。
這不僅意味著單細胞測序技術將跨入微生物檢測領域，對于研究細菌的耐****、致病、持留及細菌與宿主的相互作用等方面來說同樣將具備巨大的推動作用助力繪制細胞圖譜 2.0—— 精度更高、擴展不同疾病類型
可以說，細胞是生命的基本單位。不同類細胞之間存在廣泛的基因層面與表型差異，其中蘊含著大量闡述疾病背后機理的密碼，亟待人類進一步的探索。
在此前的數百年時間里，科學家主要利用顯微鏡和流式分析等技術，依靠若干表型特征對自然界里不同物種的細胞進行分類和鑒定。
然而，人為進行的細胞分類與鑒定操作往往具有較大主觀性。相關業內人士介紹，“可以說，在很長一段時間內，人類對于自身的探索甚至比‘探月’工程的進展更加緩慢。這其中，缺乏有效的分析工具也是主要的限制因素之一。”
2009 年，單細胞測序技術的出現帶動了人們對于傳統細胞認知體系的革命性變化。并且，基于該技術的迅速發展，人類對于細胞的認知進入數字化時代。
2017 年，“細胞圖譜” 登錄《麻省理工科技評論》（MIT Technology Review）發布的 “2017 年全球十大突破性技術” 榜單。
細胞圖譜指的是人類細胞圖譜計劃 （the Human Cell Atlas），暨基于單細胞高通量測序等技術繪制出人體中各種細胞類型的完全目錄。其目的在于建立超精確的人類生理學模型，從而加速新****研發與試驗進程。
2020 年 3 月，浙江大學研究團隊基于其自主研發的微孔單細胞測序技術，針對 60 種人體組織樣品和 7 種細胞培養樣品進行分析，系統性地繪制了跨越胚胎和成年兩個時期，涵蓋八大系統的人類細胞圖譜 1.0。其研究成果發表于 Nature 雜志。
該項工作中，該研究團隊使用數字矩陣描述每一個細胞的特征，并對細胞進行系統性分類。不僅定義了多種此前未知的細胞種類，還發現了一些特殊的表達模式。
同時，該研究團隊開發了 scHCL 單細胞比對系統用于人體細胞類型的識別，并搭建了人類細胞藍圖網站（http://bis.zju.edu.cn/HCL/）。
目前，M20 的科研團隊已與浙江大學研究組合作，將共同利用最新的單細胞測序技術推進細胞圖譜 2.0 的繪制工作。
“對比此前的細胞圖譜 1.0，我們將在 2.0 版本中將實現更高的檢測精度和通量。”M20 公司介紹，不僅如此，其工作內容還將包括繪制不同疾病的細胞圖譜，以期回答疾病細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，臨床醫生或將能夠通過參照正常的細胞狀態來鑒別異常的細胞狀態和起源市場容量超百億，“性能 + 成本” 將成國產企業破局關鍵
除了技術和應用進展方面受限之外，國內的單細胞測序技術由國外企業壟斷所帶來的另一個問題就是檢測成本居高不下。
市面上，10X Genomics 的設備成本達到了百萬人民幣，試劑成本約 1 萬人民幣 / 反應。在 2016 年推出首個單細胞測序平臺時，該公司收入為 2700 萬美元，在 2020 年增長到了 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，大部分收益都貢獻給了行業壟斷導致的品牌溢價中。實際上，單細胞測序的檢測成本主要來源于兩部分：第一部分是前端單細胞測序的文庫構建，第二部分是測序。
“目前來說，后端測序部分的成本很難降低。顯然，隨著檢測細胞數目的增長，測序成本也將線性增加。”M20 公司介紹。
“不過對于前期文庫制備來說，試劑和物料成本其實并不高。盡管進口的文庫構建套件依然動輒上萬元，不過隨著國產的測序設備及試劑逐步進入市場，單細胞測序的費用有望大幅度降低。”
近幾年來，高通量單細胞測序技術在基礎生物學研究、新****研發和疾病診斷上均顯示出巨大潛力，因此催生出輝煌的市場前景。
根據此前 Emergen Research 發布的數據，2019 年全球單細胞測序技術市場為 11.316 億美元，預計到 2027 年將達到 32.306 億美元。根據 10X Genomics 在 2021 年年中對外發布的分析預測材料中指出，該公司面臨的上下游市場容量將超過 150 億美元。
在這其中，全球 95% 以上的單細胞測序科研和應用市場都被 10X Genomics 等公司占據。
“如果一味跟隨和模仿國外公司，我們就很難做出超越其性能的產品。”M20 公司認為，只有采取新的技術方案才有可能形成有效的競爭實力。
談及下一步的發展規劃，M20 公司表示：“首先要將產品做好，短期內的目標將是盡快完成并推出自動化的設備。應用層面上，將會針對不同的樣本類型擴展開發出各類適配的試劑套件。”
站在更長遠的角度來看，憑借更高的靈敏度和更廣的樣本適用性，單細胞測序技術的下游應用領域有望被進一步擴展。
不僅僅是細胞圖譜工作，包括免疫治療，抗生素耐****等具體的應用場景將有待開發。這些工作將為臨床和制****領域的進展提供有利的技術支撐。