2009 年，单细胞测序技术的出现带动了人们对于传统细胞认知体系的革命性变化。自那之后，每一场技术的迭代与更新都让业内为之振奋。
在实现了高通量、多组学等技术突破之后，当前的单细胞测序技术领域依然不乏挑战。灵敏度低、样本活性限制以及成本高昂，这些问题成为了单细胞相关领域发展的巨大阻碍。而现在，国内的先进研究者正在试图打造新一代 “利器” 以解决困境。
近日，致力于开发单细胞测序技术平台的初创企业 M20 Genomics（以下简称 M20）完成了数千万人民币融资，本轮融资由启明创投和巢生资本联合投资。
（来源：M20 Genomics）
目前，M20 团队已研发基于微流控平台的新一代国产单细胞 RNA 测序技术，并完成原型机的制造。不仅大幅提高现有技术的 RNA 检测灵敏度和覆盖度，同时极大地拓宽了样本的适用范围。
据悉，M20 团队成员长期从事单细胞测序技术的研究及相关转化，其科学家团队曾自主研发了基于微孔单细胞测序技术的第一代国产高通量单细胞测序平台，并以此绘制了全球首个哺乳动物细胞图谱和人类细胞图谱。相关成果先后发表于 Cell 和 Nature 期刊，并入选 2020 年 “中国生物信息学十大进展”。
本轮融资之后，M20 将加快平台设施建设并持续增加研发投入，以加速产品的制造及量产进程，有望打破国外厂商在该领域中的技术垄断。
检测灵敏度大幅提升，进一步扩展样本范围2015 年，基于微流控和微孔板原理的高通量单细胞测序标记和建库技术几乎同时出现。前者基于流体力学原理实现细胞分选，适用于高通量、大规模的单细胞研究；后者利用大量的微孔完成细胞的捕获，随后进行单细胞转录组文库的构建。
2016 年，10X Genomics 率先推出了以微流控为基础的高通量单细胞测序平台 Chromium Controller 并凭此迅速占领市场。该平台以含有 75 万种 barcode 的油滴包裹的凝胶微珠（GEMs）作为技术核心，能在 10 分钟内自动完成多至 80,000 个细胞的捕获。
（来源：10X Genomics）
据 M20 公司介绍，“当前市面上的单细胞测序技术，例如 BD、10X 等知名企业的设备，其对于待测样本有很高的要求。需要至少达到 70% 及以上的细胞活性才可以检测。”
然而实际上，临床上的大部分样本可能来自于冻存或福尔马林固定、甚至石蜡包埋（FFPE）处理的组织。这些样本的细胞活性非常差，远远低于 70%，以至于很难利用目前的单细胞测序技术检测该类样本，即便检测也很难取得有效的结果。
另一方面，单个细胞内检测基因数量过低也是限制其应用的另一个瓶颈，将导致文库复杂性与大小差异、数据缺失以及低捕获率造成的信号干扰等问题。
着眼于该类技术瓶颈，M20 团队汇集包括浙江大学和良渚实验室的科研人员，以及来自麻省理工学院、杜克大学、加州大学洛杉矶分校和北京大学等多所国内外顶尖高校的科学家和管理人才，研发了基于微流控平台的新一代国产单细胞 RNA 测序技术。
目前，M20 已经完成了其单细胞测序仪原型机的组装，在积极开展内部测试的同时，还与浙江大学麾下的部分实验室和医院开展合作。
（图片来源：M20 公司）
据该公司透露，目前已经开始接收包括一些医院和实验室寄送的样本开展单细胞测序服务。
从数据上看，M20 的单细胞测序平台在新鲜样本、冻存样本和 FFPE 样本的单细胞或单核中均能检测到近万余个基因，并且实现了 RNA 的全长测序。相比之下，10X 旗下 v3.1 Chemistry 版本试剂能够支持的检出基因数量约为 4000 基因 / 细胞。
不仅如此，M20 公司团队还首次实现了在商业化微流控平台上针对细菌的高通量单细胞 RNA 测序。
早期研究表明，将单细胞转录组测序技术应用至微生物研究时，细胞尺寸、细胞壁和核糖体 RNA 成为了极大的限制因素。同时受制于传统的引物设计等原因，在细菌微生物领域极易造成检出率低和检测结果的高随机性。
而现在，在直径大小仅为细胞约百分之一的大肠杆菌中，M20 设备已经达到单个细菌检出上千基因的检测水平。
这不仅意味着单细胞测序技术将跨入微生物检测领域，对于研究细菌的耐药、致病、持留及细菌与宿主的相互作用等方面来说同样将具备巨大的推动作用。
助力绘制细胞图谱 2.0—— 精度更高、扩展不同疾病类型可以说，细胞是生命的基本单位。不同类细胞之间存在广泛的基因层面与表型差异，其中蕴含着大量阐述疾病背后机理的密码，亟待人类进一步的探索。
在此前的数百年时间里，科学家主要利用显微镜和流式分析等技术，依靠若干表型特征对自然界里不同物种的细胞进行分类和鉴定。
然而，人为进行的细胞分类与鉴定操作往往具有较大主观性。相关业内人士介绍，“可以说，在很长一段时间内，人类对于自身的探索甚至比‘探月’工程的进展更加缓慢。这其中，缺乏有效的分析工具也是主要的限制因素之一。”
2009 年，单细胞测序技术的出现带动了人们对于传统细胞认知体系的革命性变化。并且，基于该技术的迅速发展，人类对于细胞的认知进入数字化时代。
2017 年，“细胞图谱” 登录《麻省理工科技评论》（MIT Technology Review）发布的 “2017 年全球十大突破性技术” 榜单。
细胞图谱指的是人类细胞图谱计划 （the Human Cell Atlas），暨基于单细胞高通量测序等技术绘制出人体中各种细胞类型的完全目录。其目的在于建立超精确的人类生理学模型，从而加速新药研发与试验进程。
2020 年 3 月，浙江大学研究团队基于其自主研发的微孔单细胞测序技术，针对 60 种人体组织样品和 7 种细胞培养样品进行分析，系统性地绘制了跨越胚胎和成年两个时期，涵盖八大系统的人类细胞图谱 1.0。其研究成果发表于 Nature 杂志。
该项工作中，该研究团队使用数字矩阵描述每一个细胞的特征，并对细胞进行系统性分类。不仅定义了多种此前未知的细胞种类，还发现了一些特殊的表达模式。
同时，该研究团队开发了 scHCL 单细胞比对系统用于人体细胞类型的识别，并搭建了人类细胞蓝图网站。
图丨单细胞水平的人类细胞图谱（来源：人类细胞蓝图） 图丨单细胞水平的人类细胞图谱（来源：人类细胞蓝图）
目前，M20 的科研团队已与浙江大学研究组合作，将共同利用最新的单细胞测序技术推进细胞图谱 2.0 的绘制工作。
“对比此前的细胞图谱 1.0，我们将在 2.0 版本中将实现更高的检测精度和通量。”M20 公司介绍，不仅如此，其工作内容还将包括绘制不同疾病的细胞图谱，以期回答疾病细胞如何分型以及疾病基因如何决定表型的核心问题。
在未来，临床医生或将能够通过参照正常的细胞状态来鉴别异常的细胞状态和起源。
市场容量超百亿，“性能 成本” 将成国产企业破局关键除了技术和应用进展方面受限之外，国内的单细胞测序技术由国外企业垄断所带来的另一个问题就是检测成本居高不下。
市面上，10X Genomics 的设备成本达到了百万人民币，试剂成本约 1 万人民币 / 反应。在 2016 年推出首个单细胞测序平台时，该公司收入为 2700 万美元，在 2020 年增长到了 3.6 亿美元。巨大的收益让公司市值同样水涨船高，已超 200 亿美元。
这其中，大部分收益都贡献给了行业垄断导致的品牌溢价中。实际上，单细胞测序的检测成本主要来源于两部分：第一部分是前端单细胞测序的文库构建，第二部分是测序。
“目前来说，后端测序部分的成本很难降低。显然，随着检测细胞数目的增长，测序成本也将线性增加。”M20 公司介绍。
“不过对于前期文库制备来说，试剂和物料成本其实并不高。尽管进口的文库构建套件依然动辄上万元，不过随着国产的测序设备及试剂逐步进入市场，单细胞测序的费用有望大幅度降低。”
近几年来，高通量单细胞测序技术在基础生物学研究、新药研发和疾病诊断上均显示出巨大潜力，因此催生出辉煌的市场前景。
根据此前 Emergen Research 发布的数据，2019 年全球单细胞测序技术市场为 11.316 亿美元，预计到 2027 年将达到 32.306 亿美元。根据 10X Genomics 在 2021 年年中对外发布的分析预测材料中指出，该公司面临的上下游市场容量将超过 150 亿美元。
（来源：10X Genomics）
在这其中，全球 95% 以上的单细胞测序科研和应用市场都被 10X Genomics 等公司占据。
“如果一味跟随和模仿国外公司，我们就很难做出超越其性能的产品。”M20 公司认为，只有采取新的技术方案才有可能形成有效的竞争实力。
谈及下一步的发展规划，M20 公司表示：“首先要将产品做好，短期内的目标将是尽快完成并推出自动化的设备。应用层面上，将会针对不同的样本类型扩展开发出各类适配的试剂套件。”
站在更长远的角度来看，凭借更高的灵敏度和更广的样本适用性，单细胞测序技术的下游应用领域有望被进一步扩展。
不仅仅是细胞图谱工作，包括免疫治疗，抗生素耐药等具体的应用场景将有待开发。这些工作将为临床和制药领域的进展提供有利的技术支撑。
