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腾讯登录《转》访复旦大学 施奇惠研究员：单细胞测序技术助力液体活检，可无创获得肿瘤分子信息
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单细胞测序技术自2009年问世，2013年被Nature Methods评为年度技术以来，在肿瘤、发育生物学、临床诊断、免疫学、微生物学、神经科学等领域有重要应用，是目前研究的焦点。近期，我们有幸邀请到了复旦大学生物医学研究院施奇惠研究员，并与其进行了深入的交流。采访中，施老师为大家介绍了微流控芯片技术应用及单细胞测序视野下的肿瘤液体活检前景。小编了解到施老师改变研究方向的初衷，感叹其突破自我的决心，拓宽自己的学术面，以问题驱动研究，为国人带来更有意义的研究。
问
1.我们了解到您之前的专业是材料化学，在博士后研究期间却从事了生物医学工程方面的研究。在此之前，您是否有接触过生物医学方面的内容？是有什么样的契机促使您转向生物医学方面的研究呢？作为跨学科领域的专家，在您的研究经历中，遇到过哪些令您印象深刻的事情呢？
答
变换研究方向对研究者是一个很大的挑战。我换方向很重要的原因是跟我博士后的导师加州理工学院的James Heath教授的研究兴趣的转变有关。Heath教授是顶尖的纳米电子学专家，他在博士期间就直接参与了C60的发现与制备（其导师获1996年诺贝尔化学奖），大约15年前他的研究兴趣逐渐转向生物医学，主要从事系统生物医学与肿瘤免疫治疗方面的研究，目前是位于美国西雅图的系统生物学研究所（Institute for Systems Biology）的所长。同时我自身也希望进一步拓宽自己在学术方面的视野，学到更多的东西，所以在2008年加入加州理工学院后开始参与单细胞蛋白组检测与黑色素瘤T细胞过继免疫治疗方面的课题。当然每个人在进入新的领域之前都难免会有一个漫长的学习过程。这个经历对我的学术生涯非常重要，它使得我能够从事问题驱动型的研究，能够随时去学习解决问题所需要的新知识和新技能。
问
2.我们了解到您之前有开发微流控芯片技术，那么能否向我们简单介绍一下目前微流控芯片技术在单细胞测序方面的应用及发展？
答
微流控技术目前主要在两方面应用于临床。第一方面是即时诊断（POCT），这部分技术尤其是POCT的分子检测在目前全球范围内尚未结束的新冠疫情中有很大的应用。微流控POCT的趋势主要是在微流控芯片上重现大型设备的检测方法学与步骤，从而达到与大型设备类似的灵敏度和准确性，同时保持设备的小型化、随到随测、试剂和废液全部内藏于芯片等POCT的特征。微流控POCT实现快速检测主要是依赖于微量样本的快速混合、分子的快速扩散以及多线程工作等，但需对微量液体有精准的控制。第二方面是基于液滴或微孔阵列的单分子或单细胞测序技术，如如数字PCR、高通量单细胞转录组测序、高通量多重单细胞蛋白检测、数字ELISA等。其基本的原理都是通过液滴或微孔进行分液，使得每个小液滴中至多含有一个分子或细胞，同时对其编码，这是传统有限稀释法的延伸。这部分技术在生物医学研究中已有广泛的应用，部分技术如数字PCR已经用于临床，未来会有更多的技术用于临床，但仍需平衡成本和临床效益。
问
3.随着靶向药物和免疫治疗在肿瘤诊疗领域上的大放异彩，液体活检也逐渐走入了人们的视野。液体活检也是您研究的一个方面，您能否和我们聊一聊液体活检在癌症检测和肿瘤治疗方面有哪些优势呢？您觉得在未来液体活检技术会得到怎样的发展？
答
液体活检（Liquid Biopsy）的概念是德国的Klaus Pantel教授十多年前提出的，一开始是指从体液、尤其是血液中获得来自肿瘤组织的肿瘤细胞，后来外延扩大到来自肿瘤组织的游离DNA和外泌体。液体活检其实脱胎于病理学中的脱落细胞学，但我认为它更加通俗易懂，因为它比较清楚的表明了其目的是进行肿瘤的活检，只不过采用标低创或无创的方法。一直以来，液体活检的主体都是从组织脱落的循环肿瘤细胞（CTC），因为肿瘤细胞本身包含了全部的基因组、转录组、代谢组等分子信息，同时理论上有增殖重建肿瘤组织的可能，如构建基于CTC的小鼠肿瘤模型（CDX）用于药物研究等。在液体活检发端之初，它与脱落细胞学的主要区别在于液体活检主要针对血液中的CTC而脱落细胞学主要针对如胸腹水、尿液、脑脊液、灌洗液等体液。但更本质的区别应该是液体活检引入了以单细胞测序为基础的单细胞组学技术，而传统的脱落细胞学主要基于形态学和免疫组化。
细胞液体活检与单细胞测序相结合是必然的发展趋势。首先，CTC领域亟需解决的是检测的灵敏度和特异性的问题，作为一种体外诊断工具，现有的检测方法其灵敏度和特异性均未知，也就是说既不知道样本中到底存在多少肿瘤细胞（灵敏度），也不知道检测到的CTC是否的确都是肿瘤细胞（特异性），这就导致了这一检测的可靠性很难评估。而单细胞测序能够用于验证检测到的CTC是否确实是肿瘤细胞，解决特异性的问题，同时也能帮助测试更多的CTC标志物，改善检测灵敏度。对于早期癌症患者，CTC检测可帮助发现早期的隐匿性的转移，可弥补影像学的不足，但这种CTC检测更需要测序验证，以明确的确是肿瘤细胞。其次，单纯CTC计数由于其本身信息量很小，而且计数稳定性缺乏验证，因而难以满足临床的需要，即单纯根据CTC的数目很难有效的指导临床治疗。对CTC进行单细胞测序能获得基因组、转录组的信息，可提供与转移相关的肿瘤细胞的分子特征与靶点信息，无疑更具临床价值。对于肿瘤免疫治疗，CTC测序能解析肿瘤新抗原，而T细胞正是通过肿瘤新抗原来识别并杀死肿瘤细胞的。基于细胞液体活检的肿瘤新抗原分析能预测免疫检查点抑制剂的疗效，以及定制相应的肿瘤疫苗和T细胞过继免疫疗法。因此，CTC检测辅以单细胞测序应该是一条必然的技术路径，而且随着单细胞测序技术的成熟应该也是完全可行的。
问
4.单细胞测序技术不断升级，液体活检领域将迎来新一轮的技术大爆发，那么您觉得单细胞测序技术给液体活检具体带来了哪些机遇？
答
液体活检的核心是提供一种无创的获得肿瘤信息的手段，但无论是CTC还是ctDNA都面临是核酸量低且不纯的问题，对测序形成了很大的挑战。对ctDNA而言，其挑战在于DNA片段化、存在大量良性细胞的游离DNA以及良性细胞突变的干扰，以及早期患者ctDNA浓度低等。对CTC而言，其挑战在于传统标志物识别到的CTC中存在良性（上皮）细胞的干扰，同时单细胞测序（不管是基因组还是转录组）的质量不高。因此，单细胞技术的进展无疑将为细胞液体活检提供强大的助力，使我们能够通过无创的手段获得较全面的肿瘤分子信息。目前单细胞测序主要有两方面的应用，一方面是针对极少量有重大临床价值的稀有细胞进行基因组测序，代表性的如辅助生殖中的胚胎植入前的遗传学筛查和诊断（PGS/PGD），另一方面是高通量的单细胞转录组测序，主要用于细胞组成与功能的鉴定，同时还包括高通量单细胞的T细胞或B细胞受体测序。其中前一种应用于细胞液体活检直接相关，它能帮助确认检测到的CTC即为肿瘤细胞，这可用于临床诊断，比如在胸腔积液、脑脊液中检测到肿瘤细胞可诊断胸膜或软脑膜转移，在尿液中检测到肿瘤细胞可诊断尿路上皮癌，在血液中检测到肿瘤细胞可用于肿瘤早期转移的发现。随着肿瘤免疫治疗的兴起，如何激活免疫系统对肿瘤的响应，如何定制个体化的免疫治疗策略（包括肿瘤疫苗与T细胞过继免疫疗法以及免疫检查点抑制剂），肿瘤细胞作为一个整体进行检测（而非个别驱动基因突变）的重要性愈发显现。
编者按
用单细胞测序验证CTC准确性十分关键，液体活检接入免疫治疗大有可为，细胞液体活检与单细胞测序相结合也是必然的发展趋势。作为液体活检及单细胞测序的研究专家，施奇惠研究员以独特的新视角探索两者的联系，以此为这个研究领域的“火花”，为以后的“烟花盛宴”奠下了坚实的基础。
施奇惠 研究员
复旦大学生物医学研究院
博士，复旦大学生物医学研究院研究员、博士生导师，复旦闵行医教研协同研究院双聘PI，曾任上海交通大学系统生物医学研究院教授（2011-2018），入选中组部青年千人计划、上海市浦江人才计划，获达沃斯论坛新领军者年会青年科学奖奖。本科毕业于复旦大学，在加州大学圣芭芭拉分校获博士学位，加州理工学院从事博士后研究。主要研究方向为液体活检、单细胞测序与微流控技术，在PNAS, Nat. Commun., Nat. Med., Anal. Chem., Adv Mater等期刊发表40多篇论文。
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