中国学者原研单细胞技术登顶《Science》

《Science》（2025 年 8 月 21 日刊），由华大生命科学研究院牵头建设的基因组多维解析技术全国重点实验室联合多家机构，共同发布时空单细胞（Stereo-cell）技术。凭借高密度 DNA 纳米球（DNB）模式阵列的创新设计，Stereo-cell可以突破传统单细胞技术的多种局限，同步获取转录组、蛋白表达与空间位置信息，这标志着单细胞组学技术进入高通量、多维度、可操控的新发展阶段。

多模态、高集成，让单细胞测序“脱单”：主流的微滴单细胞测序技术面临三大困境：组织解离后丢失细胞原位信息、高通量与低丰度细胞捕捉难以兼顾、多组学分析需拆分实验等。而 Stereo-cell技术基于高密度DNA纳米球（DNB）模式阵列的时空芯片，不仅避免了传统微滴单细胞技术对大尺寸细胞（如骨骼肌细胞、神经细胞、卵母细胞、肥大细胞、脂肪细胞等）的排斥，还能完整保留细胞在样本中的空间位置。通过叠加 “Stereo-cell-CITE”技术，对同一份样本可实现成像、转录组和蛋白组学技术整合，无需拆分实验，解决了传统技术“样本用量大、结果难关联” 的问题，揭示单纯转录组分析无法识别的表型异质性。

超高通量和高分辨率：不同尺寸芯片可以一次性满足几百-几百万个的人类外周血单核细胞（PBMC）测序需求，远超微滴单细胞技术的单次检测上限。同一张时空芯片上还可以进行细胞培养和类器官培养，可以提供亚细胞级分辨率，能够清晰观察到类器官中不同细胞类型的组成和分布模式，研究胞间互作和通讯方式等。

罕见细胞捕捉：在PBMC样本中，Stereo-cell-CITE能精准识别出因含量低而常被传统技术漏检的细胞类型，这类细胞可能在疾病的发生发展中起到关键性的作用，如占比仅0.05%的造血干祖细胞（HSPCs）、肿瘤干细胞等。

传统单细胞测序技术已经为人类解析复杂疾病带来了革命性的变化，有力推动了新药开发和患者精准分型。而由于很多疾病存在的高异质性，靠单一组学的检测无法得到很好的解释和区分，从而阻碍了后续对患者个性化治疗的可能性。Stereo-cell基于时空芯片，可以结合Stereo-seq组织转录组、单细胞转录组及蛋白组信息，更好地揭示肿瘤及其免疫微环境的异质性，助力精细化诊断、发现潜在药物靶点和精准监测，为个性化诊疗提供新视角。结合Stereo-cell技术的核心优势与临床需求，我们可以畅想未来其在医学检测中的应用前景：

对血液肿瘤临床检测而言，“空间信息” 和 “低丰度细胞捕捉” 是两大核心需求，而Stereo-cell技术恰好精准匹配这些场景。论文数据显示，Stereo-cell检测的单核细胞比例（16.79%）与流式细胞术金标准（17.1%）几乎一致，远优于传统微滴技术（10x Chromium，28.31%），证明其定量结果的临床可靠性。结合“成像+ UMI分子定位”，不仅能捕捉到单个的肿瘤残留细胞（MRD），还能分析这些细胞与骨髓基质细胞的空间距离。例如，采用Stereo-cell-CITE技术分析白血病患者的骨髓解离样本，一次可检测 13.5万个细胞，结合 “CD34 +转录组”，精准识别出 0.064% 的异常造血干祖细胞（如携带 FLT3突变的HSPCs），且能分析其与骨髓基质细胞的空间关联（如 “异常 HSPCs 是否聚集在血管周围”，判断扩散风险）；若循环肿瘤细胞（CTCs）被CD4+抑制性T细胞包裹，提示免疫逃逸风险高，需调整治疗方案等。

场景二：免疫治疗疗效评估级预测

免疫检查点抑制剂（如PD-1、PD-L1单抗）在血液肿瘤中和联合化疗的应用广泛，传统技术需分别检测转录组和流式（看蛋白），难以关联“细胞功能状态与表面标志物” 的同步变化。例如论文中，研究团队用Stereo-cell-CITE技术分析佛波酯（PMA）和离子霉素刺激的PBMC后发现单核细胞和树突状细胞比例下降，而活化免疫细胞集群增多，且CD62L、CD16等免疫细胞活化标志蛋白表达显著下调，其下调程度可能可以作为免疫治疗效果的潜在评估靶点。另外，通过Stereo-cell-CITE观察 “CD103上调的组织驻留T细胞” 的比例变化（传统单细胞转录组无法区分这类细胞），或可提前预测治疗响应。

细胞治疗的核心挑战在于“精准评估”—— 从灌注前的细胞质量质控，到输注后的体内分布、功能发挥，再到长期安全性监测，Stereo-cell可以解决传统技术“漏检低丰度细胞、难关联功能与空间、多指标拆分检测” 的痛点，为细胞治疗评估提供全链条解决方案。

细胞灌注前“一站式质控”：精准量化 “治疗细胞纯度与功能状态”：

细胞治疗的第一步是 “输注细胞质量评估”，需解决两大核心问题：治疗细胞的纯度（如CAR-T治疗中带CAR-T结构的T细胞比例、T细胞治疗中的特异性TCR-T细胞的比例等）和功能状态（如是否具备靶向杀伤能力），传统技术常需拆分实验（流式测蛋白、qPCR测基因），且漏检低丰度杂质细胞（如未被CAR转导的T细胞）。

利用Stereo-cell的高通量，可一次性精准量化低至0.1%的杂质细胞（如未被CAR转导的T细胞、和非肿瘤特异性TCR-T细胞）, 确保纯度检测准确性；而Stereo-cell-CITE可以同步评估CAR基因表达（mRNA）+ 靶向蛋白（如CAR-T细胞的靶细胞表面抗原）+ IFN-γ蛋白（杀伤功能标志物）” 。例如，若检测到“CAR基因高表达但 IFN-γ 蛋白低表达”，从而可能提示细胞功能缺陷，需调整制备工艺，避免无效输注。

细胞灌注后的动态监测和异常增殖检测：在灌注后可以连续监测治疗性细胞的数量，通过Stereo-cell-CITE的mRNA+蛋白同步评估治疗性细胞的数量，还可能监测“异常增殖性克隆”（如携带JAK2突变的CAR-T克隆，占比0.02%），提示插入突变导致的增殖风险。

脱靶效应监测：血液中正常 B 细胞的恢复情况：CD19 CAR-T 的脱靶效应会导致正常B细胞耗竭，通过灌注后4周同步检测正在增殖的B细胞（“CD19+Ki67+B细胞占比> 1%），可能提示正常 B 细胞开始恢复，脱靶效应可控；反之，若持续无增殖信号，需补充免疫球蛋白预防感染。

脑脊液中CAR-T细胞穿透性评估及多组学研究：对中枢神经系统淋巴瘤患者，脑脊液样本量极少（仅0.5~1mL），传统技术难以检测。利用Stereo-cell对罕见细胞的检测能力，可从极少的脑脊液中检出挑出万分级的CAR-T细胞，并同步分析其中记忆T细胞（CD45RO表面抗原阳性细胞）的占比，可对CAR-T灌注的长期存活能力进行评估，同时还可进行多组学研究，高效利用珍贵样本。

外周血中CTCs与CAR-T细胞的互作分析：如在晚期白血病患者中，灌注后1周采集外周血，通过芯片上的时空芯片细胞定位，Stereo-cell可同时检测 “CAR-T 细胞” 与 “CTCs”，并分析两者的空间距离。若“CAR-T细胞与CTCs 的空间重叠率> 20%”（即单个CAR-T细胞周围5μm内有CTCs），可能提示CAR-T细胞已识别并结合靶细胞，预期疗效较好；反之，若两者无空间关联，即使CAR-T细胞数量达标，疗效也可能较差。

慢阻肺、肺纤维化检测：慢阻肺（COPD）、肺纤维化的病变具有“局灶性”。在COPD中，小气道炎症是其重要病理特征，炎症细胞浸润和黏液高分泌主要集中在小气道部位。肺纤维化则表现为肺泡上皮损伤和异常的细胞外基质沉积，这些病变往往局限于特定区域。传统技术在检测全肺组织时，易被正常细胞 “稀释” 信号，导致对局部病变的漏诊，也难以评估 “炎症细胞-上皮细胞” 的空间相互作用。若采用Stereo-cell技术，一次性检测肺泡灌洗液（BALF）10~20万个细胞，能捕捉到占比仅0.5%的“IL-8高表达中性粒细胞”，并分析其与小气道上皮细胞的空间距离。若中性粒细胞聚集在小气道周围（空间重叠率 > 30%），提示急性加重风险，比传统炎症标志物（如CRP）更精准。

肺纤维化治疗：肌成纤维细胞的增殖、逃避凋亡和侵袭能力是纤维化疾病的关键标志。在肺纤维化治疗中，需评估肌成纤维细胞的增殖与扩散。采用Stereo-cell-CITE对肺活检样本进行同步ACTA2基因表达与α-SMA蛋白表达检测，可定位肌成纤维细胞的空间扩散范围。若治疗后“肌成纤维细胞从肺泡间隔向肺泡腔扩散”，则提示治疗无效，需及时换药。

罕见病（如家族性噬血细胞综合征、遗传性溶酶体贮积症）的致病细胞占比极低（<0.1%），且常需分析 “细胞分子特征与组织微环境” 的关联（如免疫缺陷病中T细胞的活化异常），传统技术因通量低、无空间信息，常导致 “误诊或漏诊”。Stereo-cell技术的优势可以有效弥补传统技术的缺陷，如：

家族性噬血细胞综合征（fHLH）诊断：fHLH的核心发病机制与细胞毒性颗粒通路基因缺陷 (PRF1/UNC13D/STX11/STXBP2双等位基因突变) 密切相关。利用Stereo-cell的超高通量，一次可检测骨髓样本10~30万个细胞，精准定位 “PRF1基因突变的CD8+ T细胞”（占比约0.08%），并发现这类细胞常聚集在骨髓窦周围 — 这一空间特征可区分 HLH与普通感染，避免过度治疗。

溶酶体贮积症（如戈谢病）监测：戈谢病的关键是巨噬细胞内葡糖脑苷脂沉积，用Stereo-cell-CITE对骨髓样本同步检测GBA基因和CD68蛋白，可定位 “GBA突变+ CD68高表达的巨噬细胞”的空间分布。治疗后若这类细胞从骨髓中央向边缘扩散，则提示疗效良好。

尽管 Stereo-cell的技术优势显著，但论文中也客观指出，其临床转化仍需解决与现有医疗体系的“适配性” 问题：

01、样本前处理标准化：临床样本质量差异大，需优化与现有临床流程的对接方案，确保不同医院、不同批次的检测结果可比；

02、成本与自动化优化：目前Stereo-cell的芯片制备和文库构建流程较复杂，单次检测成本高于传统微滴技术。论文团队提出，未来可通过 “缩小芯片尺寸（如 1cm芯片用于小样本活检）、简化试剂配方” 降低成本，目标是匹配临床常规检测的价格区间；

03、数据分析“临床化”：Stereo-cell产生的 “空间-转录组-蛋白” 多模态高维数据需专业生物信息学分析和大量计算资源。论文团队计划开发“临床医生友好型软件”，自动生成 “异常细胞数量+空间分布图+个性化治疗建议”报告，无需复杂操作即可解读。

时空单细胞技术（Stereo-cell）的突破，并非颠覆传统液滴单细胞技术的样本体系，而是通过“细胞形态学+空间分辨率+高通量+多组学” 的整合，让同一份临床样本释放出更多诊断价值。未来随着技术落地，Stereo-cell有望在肿瘤新靶点发现、多癌种早筛和分子残留（MRD）监测，细胞治疗、呼吸系统疾病、罕见病诊断等领域，都能带来更精准的检测，更及时的疗效评估和更低的漏诊风险。期待这类中国原创的前沿科技与临床实践更多地结合，真正转化为“患者可及的临床应用”。

参考文献：

Liao et al. Stereo-cell: Spatial enhanced-resolution single-cell sequencing with high-density DNA nanoball-patterned arrays. Science. 2025 Aug 21;389(6762):eadr0475. doi: 10.1126/science.adr0475. Epub 2025 Aug 21. PMID: 40839715. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr0475