單細(xì)胞技術(shù)因有望揭示“細(xì)胞功能異質(zhì)性機(jī)制”這一生命科學(xué)的本質(zhì)問題，從而解析各種慢性疾病（如癌癥、糖尿病和神經(jīng)退行性疾病）和衰老的分子基礎(chǔ)，是當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)方向。單細(xì)胞技術(shù)在測序方面取得了進(jìn)展；由于該技術(shù)具有無須標(biāo)記、非侵入性、可同時(shí)展示胞內(nèi)代謝物（組）特征等優(yōu)點(diǎn)，逐漸得到學(xué)界關(guān)注。

近期，中國科學(xué)院上海高等研究院研究員呂軍鴻課題組先后與上海生物信息技術(shù)中心、納米技術(shù)及應(yīng)用國家工程研究中心、首都醫(yī)科大學(xué)天壇醫(yī)院、濱州醫(yī)學(xué)院、上海交通大學(xué)瑞金醫(yī)院等的科研人員合作，在單細(xì)胞紅外成像技術(shù)的數(shù)據(jù)處理方法、單細(xì)胞表型組、干細(xì)胞異質(zhì)性等研究中取得系列進(jìn)展，相關(guān)研究成果陸續(xù)發(fā)布在Chemical Communications和Analytical Chemistry上。

針對不同批次處理和測量時(shí)，引入的與生物狀態(tài)不相關(guān)的系統(tǒng)性技術(shù)偏差這一單細(xì)胞技術(shù)的共性問題，研究人員從紅外光譜數(shù)據(jù)離散向量化、質(zhì)控與預(yù)處理、特征選取等環(huán)節(jié)入手，發(fā)展了一種對單細(xì)胞紅外光譜相似性進(jìn)行評判的方法，并在不同類型、不同狀態(tài)的細(xì)胞光譜分析中得到了驗(yàn)證，為分析單細(xì)胞紅外光譜數(shù)據(jù)提供了實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)和理論依據(jù)。相關(guān)研究成果以How many cells are enough for single-cell infrared spectroscopy為題，發(fā)表在Chemical Communications上（圖1）。

圖1 批次效應(yīng)對單細(xì)胞紅外光譜數(shù)據(jù)的影響與評價(jià)方法的建立

人類表型組是基因組之后生命科學(xué)研究的又一重點(diǎn)，是聯(lián)系生物體基因型和表型的橋梁。當(dāng)前，單細(xì)胞表型分析（single cell phenotyping）得到的參數(shù)較少，不易精確反映生物樣品的全貌。研究人員利用紅外光譜，可同時(shí)靈敏地獲得細(xì)胞多種構(gòu)成成分結(jié)構(gòu)信息及其微小變化的特點(diǎn)，通過統(tǒng)計(jì)分析大量單細(xì)胞光譜數(shù)據(jù)，在國際首次提出單細(xì)胞紅外表型組（Single Cell Infrared Phenomics）的概念和表型分析策略。

利用該技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)了對低濃度中藥成分作用下腫瘤細(xì)胞的反應(yīng)評價(jià)，從而使作用靶點(diǎn)不明情況下的藥物篩選成為可能，也將為人類表型組研究提供全新手段。相關(guān)研究成果以Single-cell infrared phenomics: phenotypic screening with infrared microspectroscopy為題，發(fā)表在Chemical Communications上（圖2）。

圖2 單細(xì)胞紅外表型組與藥物篩選

細(xì)胞異質(zhì)性與干細(xì)胞分化、腫瘤耐藥等密切相關(guān)。當(dāng)前，分析細(xì)胞種群中異質(zhì)性的方法多采用單細(xì)胞測序技術(shù)，樣品處理費(fèi)事、費(fèi)用昂貴。研究人員發(fā)展了一種基于單細(xì)胞同步輻射紅外顯微光譜和計(jì)算方法，進(jìn)行細(xì)胞異質(zhì)性定量評估的新策略。通過計(jì)算紅外光譜數(shù)據(jù)的細(xì)胞間對細(xì)胞相似距離，即可量化特定細(xì)胞種群的異質(zhì)性，方法簡單快捷，所需樣品量也較少。

利用該方法，研究人員進(jìn)一步獲得了成脂分化過程中人間充質(zhì)干細(xì)胞群體的動態(tài)異質(zhì)性變化狀態(tài)。這些發(fā)現(xiàn)為研究細(xì)胞異質(zhì)性提供了互補(bǔ)/替代方法。結(jié)合單細(xì)胞測序及其其他細(xì)胞分析技術(shù)，將有助于深入解析基因異質(zhì)性與表型異質(zhì)性之間的關(guān)系。相關(guān)研究成果以Single-Cell Infrared Microspectroscopy Quantifies Dynamic Heterogeneity of Mesenchymal Stem Cells during Adipogenic Differentiation為題，發(fā)表在Analytical Chemistry上（圖3）。

圖3 單細(xì)胞紅外顯微成像揭示了干細(xì)胞成脂分化過程中的動態(tài)異質(zhì)性

研究工作得到國家自然科學(xué)基金、上海光源顯微紅外光束線站的支持。中科院上海應(yīng)用物理研究所博士生王亞迪與上海生物信息技術(shù)中心博士戴文韜為論文的共同第一作者，呂軍鴻與上海健康醫(yī)學(xué)院研究員李雪玲為論文的共同通訊作者。合作者包括上海交通大學(xué)瑞金醫(yī)院研究員李園園團(tuán)隊(duì)、濱州醫(yī)學(xué)院教授潘效紅團(tuán)隊(duì)、首都醫(yī)科大學(xué)天壇醫(yī)院教授陳峰等。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：上海高研院等在同步輻射單細(xì)胞紅外顯微成像研究中獲進(jìn)展

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