本周《科学》杂志报道的一项新技术克服了在细胞样本上进行的典型高通量化学筛选的几个限制。这类筛选通常用于发现新的抗癌药物，以及许多其他生物医学应用。
目前大多数这种性质的筛选要么提供一个粗略的读数，如细胞存活、增殖或细胞形状的改变，要么只提供一个特定的分子发现，如检测一种特定的酶是否被阻断。
由于这两个极端之间存在巨大的差异，大多数的检测通常会忽略细微的基因表达或细胞状态变化，而这些变化可能揭示了在受扰细胞内部触发的机制。这样的检测也可能无法检测出细微的差别，这些细微差别可能表明正在测试的药物可能会产生意想不到的副作用，或者基因相同的细胞对同一种药物产生不同的反应，或者为什么细胞会对之前效果良好的治疗产生抗药性。
为了解决这些局限性，一个代表许多领域的研究团队合作开发了一种信息技术。
“这项技术实际上在两种常见的检测方法之间占有一席之地，”其中一名主要研究人员、医学博士桑贾伊·r·斯里瓦桑(Sanjay R. Srivatsan)说。就读于西雅图华盛顿大学医学院的医学科学家培训项目。“你可以得到一种细胞反应的全局视图。例如，我们认为对药物进行分类，并弄清它们的作用机制，将会非常有用。”
这项新技术结合了细胞核标记技术的改进和数百万细胞中基因表达谱分析的进步。这是在单细胞分辨率和成本效益的方式完成。他们将这种新的筛选方法命名为sci-Plex。
在12月5日的网络版《科学》杂志上，研究人员报告了他们的概念验证发现。这篇论文的主要作者，除了Srivatsan，还有华盛顿大学医学院的博士后研究员Jose L. McFaline-Figueroa;Vijay Ramani，前华盛顿大学基因组科学研究生，现在是加州大学桑德勒学院研究员。
资深研究员包括科尔·特拉普内尔(Cole Trapnell)、华盛顿大学医学院(UW School of Medicine)基因组科学副教授、西雅图Brotman Baty Institute for Precision Medicine研究员，以及Jay Shendure，华盛顿大学医学院(UW medical School)基因组科学教授、Brotman Baty Institute科学主任。Shendure也是Howard Hughes医学研究所的研究员，并指导艾伦研究所发现中心进行细胞谱系追踪。
特拉普内尔说:“sci-Plex技术使我们能够汇集大量基因不同的细胞，并观察许多单个细胞在受到不同方式干扰时会发生什么。”“然后我们收集所有数据，利用机器学习和数据科学的现代工具进行分析，了解每种药物对细胞的作用。”
为了让sci-Plex发挥它的功能，研究人员将它应用于三种癌症细胞系(白血病、肺癌和乳腺癌)的筛选，用180种化合物治疗癌症、艾滋病和自身免疫性疾病。这些细胞被标记成小的单链DNA的核散列。
这种散列识别不同的细胞，并允许科学家绘制出哪些细胞接受了哪些药物。在一个实验中，研究人员测量了来自5000多个独立处理样本的65万个单细胞的基因表达。
结果表明，某些癌细胞对特定化合物的反应方式存在显著差异。他们还揭示了细胞之间关于其他化学家族的共有模式，以及在化学家族中区分药物的一些特性。
研究人员对一类癌症药物HDAC抑制剂的作用模式进行了更深入的研究。他们发现，基因调控的变化与这些抑制剂通过阻断能量来源来阻止癌细胞增殖的观点相符。
在描述这项研究的另一个方面时，Srivistan说:“我们可以用基因表达谱来对药物的效力进行分类，这真的很酷。随着剂量变化超过4个数量级，我们可以看到细胞反应的平稳增长。”
总的来说，sci-Plex结果表明，它可以扩展到数千个样本，以针对不同的生化途径、催化剂、调节因子和作用模式。
特拉普内尔说:“其中一些工作可能涉及疾病的治疗，帮助医学研究人员了解某些药物如何产生效果，细胞阶段如何影响疗效，以及为什么有些药物对某些细胞有效，而对其他细胞无效。”
特拉普内尔补充说:“医生也给很多人开同样的几剂药，对一些人有效，对另一些人无效。”“sci-Plex可能会帮助我们更好地理解为什么会这样。”
特拉普内尔说，他相信sci-Plex可能会成为精准医疗的有用工具:“最终，当有人患上癌症时，我们希望杀死整个肿瘤，所有的细胞，而不仅仅是部分细胞。因此，理解为什么一些细胞对药物有一种反应，而另一些细胞有不同的反应，对于设计完全有效的治疗方法至关重要。”
研究人员指出，sci-Plex的一个明显优势是，它可以区分化合物如何影响细胞的子集。除了构成肿瘤的细胞外，这些亚群还包括实验室培养皿中的活细胞模型，如重编程细胞、有机体和合成胚胎。
研究人员预测，核散列的简单和低成本，加上他们的单细胞测序方法的灵活性和可扩展性，可能会给科学复杂的许多基础研究和生物医学的实际应用。例如，它可能有助于建立一个全面的细胞对药物干预反应图谱。
“这是一个非常普遍的策略，”Srivatsan说。“它可以用任何科学家都能获得的试剂来进行，它可以有多种用途。”
杰尔表示同意。“我对单细胞基因组学科学界如何发现我们没有预料到的东西很感兴趣。这在我们的领域里经常发生。技术开发人员和实验生物学家正在以各种方式重新利用技术，这是最初的开发人员没有预见到的。”
参与这个项目的三名科学家，没有一个在新闻发布会上被点名，在Illumina公司以股票所有权和就业的形式宣布了经济利益。Illumina或UW申请的一项或多项专利可能包括发表在《科学》杂志上的方法或数据。
——文章发布于2019年12月5日
