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藥物研發(fā)通常面臨成本高、周期長、效率低下等挑戰(zhàn)，其原因包括對疾病機制缺乏了解、治療靶點有限、以及藥物反應的異質(zhì)性等。
單細胞測序（Single-cell RNA Sequencing, scRNA-seq）是一種在單個細胞水平上檢測基因表達的高通量測序技術(shù)。相比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)錄組測序，scRNA-seq能夠揭示細胞異質(zhì)性、識別稀有細胞亞群、解析細胞發(fā)育、免疫微環(huán)境等精細調(diào)控機制。其核心步驟包括單細胞分離、RNA捕獲、逆轉(zhuǎn)錄擴增、文庫構(gòu)建和高通量測序等，結(jié)合生物信息學分析，可構(gòu)建細胞圖譜并探索細胞狀態(tài)與功能。
自2009年問世以來，單細胞測序已取得巨大進展，且已廣泛應用于制藥行業(yè)。通過將單細胞測序分析平臺與復雜的計算方法相結(jié)合，推動了疾病生物學和藥理學知識的逐步完善[1]。單細胞測序不僅能夠鑒定新的細胞類型和亞型、追蹤細胞分化軌跡、解析多細胞器官或腫瘤細胞組成等，還能夠識別疾病相關(guān)分子途徑，從而用于預測患者生存、評估治療反應、解析耐藥機制和提供替代治療方案等。
PART 01
單細胞測序在藥物開發(fā)領(lǐng)域的應用
傳統(tǒng)的藥物研發(fā)往往依賴于大規(guī)模細胞群體的分析，但這一方法難以觸及細胞層面的信息。單細胞測序使研究人員能夠深入探索每個細胞的基因表達譜，并揭示細胞之間的異質(zhì)性。在藥物開發(fā)過程中，單細胞測序可助力靶點發(fā)現(xiàn)、藥物篩選、藥效機制研究和藥效響應預測等環(huán)節(jié)。
靶點發(fā)現(xiàn)
獲得高質(zhì)量的治療新靶點是現(xiàn)代藥物研發(fā)的關(guān)鍵。單細胞測序可以評估腫瘤的整體異質(zhì)性和腫瘤微環(huán)境特征，從而更精準地鎖定藥物靶點。
Abdelfattah et al.[2]在單細胞水平上對來自人類膠質(zhì)瘤樣本的200,000個膠質(zhì)瘤細胞、免疫細胞和基質(zhì)細胞進行綜合分析后，鑒定出9種骨髓細胞亞型。其中，巨噬細胞和調(diào)節(jié)性T細胞（Tregs）具有免疫抑制作用，與患者的不良預后顯著相關(guān)。為了找到免疫調(diào)節(jié)的關(guān)鍵靶點，研究人員將注意力轉(zhuǎn)移到免疫抑制性T細胞和巨噬細胞中激活的分子。他們發(fā)現(xiàn)，S100A4調(diào)節(jié)蛋白是由膠質(zhì)母細胞瘤細胞、調(diào)節(jié)性T細胞和骨髓來源的抑制性細胞產(chǎn)生和分泌的，其高表達與預后變差密切相關(guān)，抑制該基因可改善預后。因此，S100A4被確認為膠質(zhì)瘤的潛在治療靶點。
此外，單細胞時間序列分析能夠捕捉靶點在疾病進展中的動態(tài)變化規(guī)律，通過追蹤特定細胞狀態(tài)下的基因表達和蛋白修飾，可揭示靶點在腫瘤微環(huán)境中的時間依賴性。Li et al.[3]使用單細胞測序?qū)Ψ蜗侔┗蚬こ绦∈竽Ｐ椭蠺regs分布的動態(tài)變化進行縱向分析（誘導前、誘導后第5/8/12/20周分別取樣）。結(jié)果顯示，干擾素IFN響應性Tregs（IF_TR）在腫瘤發(fā)展早期（第5/8周）占比較高，而Klrg1 +Areg + 效應Tregs（KA_TR））在疾病晚期（疾病進展，第12/20周）占主導地位。進一步研究發(fā)現(xiàn)， KA_TR相關(guān)IL-33受體ST2基因在疾病進展時異常表達，刪除ST2基因則改變效應Tregs的克隆演化，減輕腫瘤負擔。因此，研究認為KA_TR增殖導致腫瘤進展，其中ST2在腫瘤免疫抑制中起著關(guān)鍵作用，可作為治療干預的潛在靶點。
藥物發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化
抗體藥物是以抗體為核心成分的生物制劑，主要用于癌癥、自身免疫疾病及器官移植抗排斥治療，但其開發(fā)周期較長。 單細胞測序技術(shù)能夠大大縮短抗體篩選時間，是加速抗體藥物研發(fā)的一把利刃。新冠肺炎疫情期間，研究人員利用單細胞測序技術(shù)，從康復期患者的抗原富集 B 細胞中快速鑒定出新冠病毒中和抗體，并在動物實驗中證明了該中和抗體的治療和預防功效[4]。
此外，研究人員采用類似尋找抗體的技術(shù)，通過對單個 T細胞受體的測序（TCR測序）可以快速獲得高質(zhì)量的抗原特異的TCR序列，為腫瘤新抗原的開發(fā)和個性化治療提供了新的機會。He et al.[5]通過單細胞RNA測序、TCR測序和體外新抗原刺激，對腫瘤及其鄰近組織中的T細胞進行了全面表征，發(fā)現(xiàn)用腫瘤抗原特異性 T（Tas）TCR 改造的TCR-T細胞是一種很有前途的個體化免疫治療藥物，腫瘤內(nèi)Tas細胞水平?jīng)Q定了對免疫治療的反應程度。
藥效機制
單細胞測序可以通過對組織內(nèi)部每個細胞的轉(zhuǎn)錄組的解析，結(jié)合患者疾病分期、分子分型、藥效學反應和副反應等，更好的闡明藥物作用機制。
Zhao et al.[6]從不同處理小鼠模型中收集大腦組織進行單細胞測序，根據(jù)不同細胞類型的經(jīng)典標記物，鑒定出少突膠質(zhì)細胞、星形膠質(zhì)細胞等不同類型細胞，并對小膠質(zhì)細胞進行了亞型分析，將其分為4個細胞亞群。大腦中動脈閉塞(MCAO)小鼠小膠質(zhì)細胞中的促炎小膠質(zhì)細胞亞群MG3和MG4的比例增加，經(jīng)活性氧響應聚芬戈莫德納米前藥（NRNs）處理后，MG3和MG4的比例下調(diào)，抗炎亞群MG2的比例增加。這些結(jié)果表明，MCAO小鼠小膠質(zhì)細胞亞群出現(xiàn)促炎表型，加重神經(jīng)炎癥，而NRNs治療可促進促炎小膠質(zhì)細胞向抗炎亞群表型轉(zhuǎn)化，有效抑制腦卒中后炎癥反應，從而促進缺血性腦卒中后受損中樞神經(jīng)系統(tǒng)的恢復。
藥效預測與精準醫(yī)療
通過比較藥物處理前后的單細胞測序數(shù)據(jù)，可以識別藥物相關(guān)的差異表達基因、受激活/抑制的細胞亞群或者信號通路。結(jié)合藥效學和安全性數(shù)據(jù)，單細胞測序技術(shù)有助于發(fā)現(xiàn)藥效相關(guān)的預測指標。
Chasen et al.[7]對24例LBCL患者的CAR-T細胞注射液（Infusion Products, IP）進行了單細胞測序，結(jié)果顯示，與部分緩解或疾病進展患者相比，完全緩解患者的IP中記憶性CD8+ T細胞占比高出3倍。回輸?shù)?天，cfDNA測序結(jié)果與臨床反應顯著相關(guān)（p=0.008）， 而耗竭性CD8+ T細胞與不良分子反應相關(guān)（q=2.8×10?149）。因此，CAR – T個性化定制IP在細胞和分子水平上存在異質(zhì)性，單細胞測序技術(shù)能夠解析這種差異，有助于預測和監(jiān)控細胞治療療效和毒性，尤其是第7天的分子反應和耗竭性CD8+ T細胞基因表達可以作為CAR-T細胞療效的早期預測指標。
免疫治療在腫瘤治療中占有重要地位，但乳腺癌患者的受益仍有限，因此需要篩選對免疫治療敏感的生物標志物，擴大受益患者的群體。Sun et al.[8]采集了28例激素受體陽性、既往接受納布紫杉醇+帕博利珠單抗聯(lián)合治療的乳腺癌外周血樣本，通過單細胞測序分析79284個外周血PBMC細胞，以在外周血中篩選療效預測靶標。結(jié)果顯示，治療有效患者中，GZMB+殺傷性CD8+ T細胞在聯(lián)合治療后顯著擴增，并伴隨TCR克隆快速擴增；而無效患者則表現(xiàn)為T細胞耗竭且治療后TCR克隆多樣性無變化。研究提示，通過單細胞轉(zhuǎn)錄組/TCR測序聯(lián)合分析，可為開發(fā)外周血動態(tài)監(jiān)測工具提供新方向?。
PART 02
精翰單細胞測序平臺
精翰生物依托北京尋因生物 SeekOne? DD 單細胞生成平臺，構(gòu)建了覆蓋樣本處理、建庫測序與生信分析的全流程解決方案。精翰單細胞測序平臺在單細胞轉(zhuǎn)錄組測序與免疫組庫測序領(lǐng)域已成功支持多項申辦方的臨床前/臨床試驗項目，為藥物生物標志物探索提供有力支持。
? 樣本預處理：專業(yè)團隊優(yōu)化組織解離、細胞分選技術(shù)，可實現(xiàn)單細胞的高效捕獲；單樣本一次可處理500-20000個細胞； ? 建庫測序：依托 SeekOne? DD 平臺完成單細胞包裹與 cDNA 擴增，搭配 Illumina/Hiseq 高通量測序儀或者華大DNBSEQ-T7測序平臺，實現(xiàn)單細胞轉(zhuǎn)錄組及免疫組庫的雙維度解析； ? 生信分析：自主研發(fā)數(shù)據(jù)分析 pipeline，同時處理單細胞轉(zhuǎn)錄組測序（scRNA-seq）與單細胞免疫組庫測序（scTCR/BCR-seq）數(shù)據(jù)，涵蓋數(shù)據(jù)質(zhì)控與批次效應校正、細胞聚類與細胞類型人工注釋、軌跡推斷、免疫受體克隆型鑒定與克隆多樣性分析、轉(zhuǎn)錄組-免疫組庫聯(lián)合挖掘等 核心分析模塊； ? 報告交付：提供個性化定制報告，含 UMAP 細胞分群圖、細胞比例變化圖、擬時序分化樹、RNA流、免疫細胞亞型分析、免疫克隆型熱圖、V(D)J Circos 圖等專業(yè)圖表，支持個性化結(jié)果解讀。
PART 03
選擇精翰生物的四大理由
參考文獻：
[1] Van de Sande B, Lee JS, Mutasa-Gottgens E, et al. Applications of single-cell RNA sequencing in drug discovery and development. Nat Rev Drug Discov. 2023;22(6):496-520. doi:10.1038/s41573-023-00688-4
[2] Abdelfattah N, Kumar P, Wang C, et al. Single-cell analysis of human glioma and immune cells identifies S100A4 as an immunotherapy target. Nat Commun. 2022;13(1). doi:10.1038/s41467-022-28372-y
[3] Li A, Herbst RH, Canner D, et al. IL-33 Signaling Alters Regulatory T Cell Diversity in Support of Tumor Development. Cell Rep. 2019;29(10):2998-3008.e8. doi:10.1016/j.celrep.2019.10.120
[4] 李倩, 韋薇. 單細胞測序技術(shù)在藥物開發(fā)過程中的應用. 中國新藥雜志. 2023;32(2):154-158.
[5] He J, Xiong X, Yang H, et al. Defined tumor antigen-specific T cells potentiate personalized TCR-T cell therapy and prediction of immunotherapy response. Cell Res. 2022;32(6):530-542. doi:10.1038/s41422-022-00627-9
[6] Zhao Y, Li Q, Niu J, et al. Neutrophil Membrane-Camouflaged Polyprodrug Nanomedicine for Inflammation Suppression in Ischemic Stroke Therapy. Adv Mater. 2024;36(21):e2311803. doi:10.1002/adma.202311803
[7] Chasen B, Dai E, Dang M, et al. Characteristics of anti-CD19 CAR T cell infusion products associated with efficacy and toxicity in patients with large B cell lymphomas. 2021;26(12):1878-1887. doi:10.1038/s41591-020-1061-7.Characteristics
[8] Sun X, Axelrod ML, Waks AG, et al. Dynamic single-cell systemic immune responses in immunotherapy-treated early-stage HR+ breast cancer patients. npj Breast Cancer. 2025;11(1). doi:10.1038/s41523-025-00776-1
