科企岛：单细胞分析技术有助于生成前所未有的疾病图谱

天文学诞生于早期科学家用肉眼凝视天空并记录他们在上面看到的东西时。然后，望远镜的发明带来了新的见解。今天，天文学家从大型天文台进行研究，并将复杂的望远镜发射到太空中，以便更深入地观察。

现在，随着科学家开发出新技术来仔细观察细胞（器官的基本生命单位），生物学中也发生了类似的演变。细胞生物学的起源可以追溯到1665年，当时罗伯特·胡克（Robert Hooke）是第一个在简单的复合显微镜下观察细胞的人。但是，尽管扫描电子显微镜等更强大的显微镜的发展使科学家能够窥探小于十亿分之一米的分子，但直到最近，他们才有能力观察单个细胞的分子谱。

我们的器官由不同细胞类型的群落组成，这些细胞彼此通信以保持其正常功能。但是，研究人员对这些细胞进行分类的能力直到最近还不足，因为它们可用的工具的分辨率有限。现在，耶鲁大学跨学科的研究人员正在使用单细胞技术来分析健康和患病器官中同时存在的各种细胞，并创建迄今为止最详细的疾病蓝图，并更好地了解各种细胞如何随着时间的推移而发育并相互作用。通过创建全身器官的这些“细胞图谱”，他们希望揭示各种疾病和生物发育的机制。

“这项技术正在对生物学产生变革性影响，因为它克服了组织中细胞生物学研究的主要局限性 - 处理混合细胞群，”医学博士Pietro De Camilli，神经科学教授John Klingenstein教授和细胞生物学教授说。

生成人体肺的地图

Kaminski的实验室研究人类肺部疾病。在他职业生涯的早期，他是第一个提供肺纤维化患者在人类肺部表达的所有基因的档案的人。这种特征是有益的，并导致发现新的生物标志物和疾病机制，但受到限制，因为研究人员无法区分这些变化是由于细胞类型的变化还是基因表达的变化。现在，使用单细胞基因分析技术，Kaminski和耶鲁大学肺病，重症监护和睡眠医学科（Yale-PCCSM）的其他研究人员正在分析晚期肺病患者样本中的所有细胞，例如特发性肺纤维化（IPF）和慢性阻塞性肺病（COPD）.他们发现了新的细胞类型，已知细胞谱的变化，并揭示了不同细胞类型之间的相互作用。

“你很少在科学中看到全新的东西，”卡明斯基说。“我们不仅能够识别肺部的所有细胞类型以及它们在疾病中的变化，而且在IPF中识别出以前未被识别的细胞群。

“我们突然发现不遵守常规规则的细胞，我们现在可以通过更具体的方法靶向这些细胞，”他说。“如果你能理解什么是坏细胞以及细胞之间的信号传导是如何变化的，从理论上讲，它不仅有可能阻止这些疾病，而且实际上可以治愈它们。

单细胞数据是变革性的，但即使公开，也不是很容易访问，因为它需要先进的计算方法。因此，Kaminski和他的团队提供数据共享和传播门户，允许自由探索数据。“当我查看数据时，我说我们必须使其民主化，因此我们开发了门户网站，允许研究人员免费访问数据，即使他们不是生物信息学专家。不同的细胞图谱可以在耶鲁大学医学院的肺病，重症监护和睡眠医学网页上找到。

胚胎发育的单细胞分析

单细胞技术也帮助研究人员对胚胎的发育进行独特的观察。Zachary Smith博士，遗传学助理教授，研究早期胚胎发育中的表观遗传调控。他的实验室研究了环境如何很早就改变胚胎的结构，以及这些变化如何可能导致有害的长期影响，如流产和其他不良妊娠结果。

小鼠胚胎中产生了图像，显示妊娠6.5天（左）至9天之间仅60小时内的重大变化。

史密斯的目标是了解导致正常发育过程出错的分子触发因素。为此，他研究了一种称为原肠胚形成的过程 - 胚胎发育过程的早期阶段，其中胚胎经历实质性重组 - 使用单细胞方法。他的实验室研究的时间间隔非常短 - 在原肠胚形成之前，小鼠胚胎非常简单，但在大约两天内它们会生长成包括数十种不同的细胞类型。由于这种结构变化发生得如此之快，研究人员很难确定事情何时或如何出错。单细胞技术提供了一个前所未有的机会来研究这个早期发育窗口，为科学家提供新的治疗或诊断见解。

“目前，我们只有非常简单的路标来了解胚胎发育中正在发生的事情，”史密斯说。“很难理解各种基因如何与哺乳动物和人类发育的具体细节相关，但这些工具让我们有机会了解发育早期阶段的哪些方面会伴随我们余生。

从头到脚的单细胞分析

Brian Hafler，医学博士，博士，眼科和视觉科学以及病理学助理教授，研究眼部疾病，重点是与年龄相关的黄斑变性。对于患有视力丧失和不可逆失明的患者，对治疗的医疗需求尚未得到满足。他说，细胞图集“有点像字典”。使用单细胞技术，Hafler可以分析视网膜每个细胞中的所有不同RNA分子。他希望利用这项研究来确定神经炎症的作用以及可能有助于预防视力丧失的关键途径。

“尖端的单细胞技术和创建细胞图谱为识别眼病的细胞驱动因素，关键炎症途径以及改善黄斑变性或青光眼等疾病患者的生活质量的疗法提供了无与伦比的机会，”Hafler说。“这有助于导致推动该领域向前发展的医学科学突破。

在心血管研究中心，医学（心脏病学）教授John Hwa，医学博士，博士，在过去十年中一直专注于血小板研究。传统上，血小板被认为是一组同质的细胞，仅在血液凝固中起作用，但现在，Hwa正在研究它们在各种过程中的作用。这部分是通过单细胞分析实现的，该分析表明血小板比以前认为的要多样化得多。

这些技术正在帮助Hwa弄清楚健康和患病血细胞中发生了什么。通过他的研究，他希望学习如何靶向有助于对抗癌症扩散和生长的血小板，衰老过程如何随着时间的推移改变血小板等等。“我从来没有想过我会像现在这样对血小板如此感兴趣和热情，”Hwa说。

遗传学助理教授Monkol Lek博士使用单细胞分析来更好地了解细胞在空间和时间上是如何发育的。他的实验室专注于罕见疾病遗传学，特别是罕见肌肉疾病，并正在努力创建非常广泛的骨骼肌器官系统的儿科细胞图谱。

大多数儿科细胞图谱从婴儿期到成年期分为四个不同的发育组。这些组代表了组织发育的重要阶段，其中身体经常发生重大变化。主要的肌肉疾病，以及许多其他疾病，经常在这些阶段开始出现。“我们可以使用单细胞分析来更好地了解人体肌肉如何在细胞水平上发育，以及人类疾病如何发展，”Lek说。

耶鲁大学的单细胞研究

单细胞技术的使用在各个学科中都很普遍。例如，细胞生物学和神经科学系的教师已经开始进行研究，以更好地了解我们最复杂的器官大脑中的不同细胞类型和功能状态，以及研究帕金森氏症等神经退行性疾病。耶鲁大学涉及单细胞分析的其他高级研究包括揭示阿尔茨海默病的性别特异性差异以及了解严重COVID-19患者的免疫反应。

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