當(dāng)單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq）遇上人工智能，當(dāng)DNA測(cè)序成本持續(xù)下探，單細(xì)胞研究正以前所未有的速度“擴(kuò)容”——從百萬(wàn)級(jí)細(xì)胞數(shù)據(jù)到百億級(jí)圖譜構(gòu)建，全球科研機(jī)構(gòu)、藥企與科技公司正以“集團(tuán)軍”之勢(shì)，推動(dòng)這一技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向臨床，從基礎(chǔ)探索邁向藥物研發(fā)的深水區(qū)，近日，GEN發(fā)文對(duì)當(dāng)前單細(xì)胞研究的情況進(jìn)行深度分析。

十年磨劍：?jiǎn)渭?xì)胞技術(shù)成生命科學(xué)“基礎(chǔ)設(shè)施”

過(guò)去十年，單細(xì)胞RNA測(cè)序技術(shù)完成了從“新興工具”到“基礎(chǔ)技術(shù)”的蛻變。這項(xiàng)技術(shù)不僅能繪制人體細(xì)胞的“全景地圖”，更能揭示同一組織中不同細(xì)胞的細(xì)微差異——這些差異可能是疾病起源的關(guān)鍵，也可能是藥物靶點(diǎn)的藏身之所。

“過(guò)去我們做批量檢測(cè)，就像把一鍋湯攪勻后嘗味道；現(xiàn)在單細(xì)胞技術(shù)讓我們能看清每一?！}’的味道?！?/strong>10x Genomics首席執(zhí)行官Serge Saxonov博士在4月的美國(guó)癌癥研究協(xié)會(huì)（AACR）會(huì)議上直言，“生物學(xué)發(fā)生在單細(xì)胞層面，而非細(xì)胞的‘大雜燴’?！?/p>

作為這一領(lǐng)域的標(biāo)桿，國(guó)際人類細(xì)胞圖譜聯(lián)盟（HCA）自2016年成立以來(lái)，已成長(zhǎng)為擁有近4000名成員、覆蓋100多個(gè)國(guó)家的全球協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。其目標(biāo)是為人體每個(gè)細(xì)胞繪制“身份證”——從器官到系統(tǒng)，從健康狀態(tài)到疾病演變。在今年6月的新加坡年會(huì)上，HCA吸引了來(lái)自47個(gè)國(guó)家的600余名參與者，其最新進(jìn)展顯示，已有超1億個(gè)細(xì)胞的圖譜數(shù)據(jù)涵蓋數(shù)十種人體組織。“我們正從‘拼圖’轉(zhuǎn)向‘組裝’，為不同組織、器官甚至疾病狀態(tài)提供標(biāo)準(zhǔn)化參考?！?/strong>HCA聯(lián)合創(chuàng)始人、劍橋大學(xué)教授Sarah Teichmann博士表示。

從百萬(wàn)到百億：大型項(xiàng)目井噴背后的技術(shù)與需求共振

如果說(shuō)HCA是單細(xì)胞研究的“基石計(jì)劃”，那么近一年來(lái)涌現(xiàn)的“超級(jí)項(xiàng)目”則徹底改寫(xiě)了行業(yè)規(guī)模：

• Scale Bio的“百萬(wàn)細(xì)胞挑戰(zhàn)”：去年秋天，Scale Bio聯(lián)合CZI（陳-扎克伯格倡議）、Ultima Genomics（測(cè)序）、英偉達(dá)（算力）和BioTuring（分析平臺(tái)），資助研究人員開(kāi)展此前因成本或技術(shù)限制無(wú)法完成的大規(guī)模實(shí)驗(yàn)。最終，來(lái)自27個(gè)國(guó)家的147項(xiàng)提案中，14個(gè)獲勝項(xiàng)目累計(jì)涉及近10億個(gè)細(xì)胞。“需求遠(yuǎn)超預(yù)期，”Scale Bio總裁Giovanna Prout指出，“這證明學(xué)界對(duì)超大規(guī)模數(shù)據(jù)的渴望已進(jìn)入爆發(fā)期?！?/p>

• Parse Biosciences與Tahoe的“百億級(jí)”突破：去年12月，Parse與Tahoe（原Vevo Therapeutics）發(fā)布“Tahoe-100M”數(shù)據(jù)集，包含1億個(gè)細(xì)胞、覆蓋6萬(wàn)個(gè)實(shí)驗(yàn)條件、1200種藥物處理及50個(gè)腫瘤模型。Ultima Genomics創(chuàng)始人Gilad Almogy博士透露，該項(xiàng)目?jī)H用數(shù)周便完成從建庫(kù)到測(cè)序的全流程，“這是現(xiàn)有技術(shù)規(guī)?；芰Φ募序?yàn)證?！?/p>

• CZI的“十億細(xì)胞計(jì)劃”：今年4月，CZI宣布啟動(dòng)“十億細(xì)胞項(xiàng)目”，目標(biāo)是生成10億級(jí)單細(xì)胞數(shù)據(jù)，加速AI生物模型開(kāi)發(fā)。該項(xiàng)目聯(lián)合10x Genomics、Ultima Genomics及多家頂尖實(shí)驗(yàn)室，并與Scale Bio深化合作?！翱蓴U(kuò)展性是關(guān)鍵，”P(pán)rout表示，“我們的平臺(tái)支持單次運(yùn)行400萬(wàn)細(xì)胞，未來(lái)目標(biāo)是‘萬(wàn)億級(jí)’?！?/p>

• 其他玩家入局：斯坦福Arc研究所推出“虛擬細(xì)胞圖譜”計(jì)劃，結(jié)合AI與單細(xì)胞數(shù)據(jù)模擬生物系統(tǒng)；Wellcome Sanger研究所聯(lián)合Parse和德國(guó)亥姆霍茲中心，聚焦癌癥治療中的細(xì)胞可塑性，計(jì)劃構(gòu)建數(shù)億級(jí)細(xì)胞數(shù)據(jù)庫(kù)……

“技術(shù)民主化是最大驅(qū)動(dòng)力，”CZI科學(xué)戰(zhàn)略與合作副總裁Jonah Cool博士指出，“單細(xì)胞技術(shù)正從‘小眾工具’變?yōu)椤Ｒ?guī)流程’，而成本下降與技術(shù)易用性提升，讓全球?qū)嶒?yàn)室都能參與這場(chǎng)‘?dāng)?shù)據(jù)狂歡’?！?/strong>

數(shù)據(jù)洪流下的挑戰(zhàn)：從存儲(chǔ)到建模，AI成破局關(guān)鍵

數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)帶來(lái)機(jī)遇，也拋出難題：如何存儲(chǔ)、分析和管理PB級(jí)（甚至EB級(jí)）的單細(xì)胞數(shù)據(jù)？

Teichmann坦言，當(dāng)前的多組學(xué)整合（如RNA-seq+ATAC-seq+空間轉(zhuǎn)錄組）與基礎(chǔ)模型構(gòu)建（如RNA-seq+生成式AI）雖令人興奮，但分析能力仍是瓶頸。“我們需要更高效的算法、更強(qiáng)大的計(jì)算框架，以及跨模態(tài)的數(shù)據(jù)管理工具?！?/strong>

CZI的“十億細(xì)胞計(jì)劃”正是為此而來(lái)——通過(guò)推動(dòng)工具鏈升級(jí)，解決“數(shù)據(jù)過(guò)載”問(wèn)題。早期HCA曾面臨“百萬(wàn)細(xì)胞數(shù)據(jù)處理困難”，如今工具已能輕松應(yīng)對(duì)；但面對(duì)“十億級(jí)”，工具鏈需全面迭代?！拔覀儾粌H要優(yōu)化模型，更要構(gòu)建支撐科學(xué)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施?！盋ool說(shuō)。

值得關(guān)注的是，深度學(xué)習(xí)與生成式AI正成為破局利器。Ultima Genomics的Gilad Almogy指出，AI不僅能加速數(shù)據(jù)分析，還能從海量數(shù)據(jù)中挖掘隱藏規(guī)律，為藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)提供“線索地圖”。Saxonov則展望：“未來(lái)，我們可能用計(jì)算機(jī)模擬整個(gè)生物系統(tǒng)——這不是幻想，而是觸手可及的現(xiàn)實(shí)?！?/p>

五年之約：從“數(shù)據(jù)地圖”到“藥物引擎”

展望未來(lái)五年，科學(xué)家們的愿景已超越“繪圖”本身：

Teichmann期待一個(gè)“人體基礎(chǔ)模型”——類似ChatGPT的智能系統(tǒng)，能回答“基因依賴關(guān)系”“調(diào)控級(jí)聯(lián)”等復(fù)雜問(wèn)題，并與模式生物數(shù)據(jù)整合，加速精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)。

Cool則預(yù)測(cè)，單細(xì)胞技術(shù)將成為藥物研發(fā)的“標(biāo)配”：從臨床試驗(yàn)患者分層、疾病表型分析到類器官篩選，單細(xì)胞數(shù)據(jù)將貫穿藥物開(kāi)發(fā)全流程。“技術(shù)門(mén)檻降低與產(chǎn)業(yè)界參與，將推動(dòng)這一愿景快速落地?！?/p>

事實(shí)上，藥企早已行動(dòng)：Teichmann同時(shí)擔(dān)任葛蘭素史克（GSK）轉(zhuǎn)化研究副總裁與Enso Cell Therapeutics首席科學(xué)家，她指出，單細(xì)胞技術(shù)已在腫瘤免疫治療、再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)潛力，“我們現(xiàn)在只是‘擦破了皮’，真正的突破還在后面?！?/strong>

結(jié)語(yǔ)：?jiǎn)渭?xì)胞研究的“臨界點(diǎn)”

從百萬(wàn)級(jí)到百億級(jí)，從基礎(chǔ)圖譜到AI模型，單細(xì)胞研究的“擴(kuò)容”不僅是數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)，更是技術(shù)與需求的深度共振。隨著測(cè)序成本持續(xù)下探、工具鏈不斷完善，以及全球協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的深化，單細(xì)胞技術(shù)正從“實(shí)驗(yàn)室利器”進(jìn)化為“生命科學(xué)革命的引擎”——它不僅讓我們更懂生命，更將重塑人類對(duì)抗疾病的方式。

正如Saxonov所言：“這僅僅是開(kāi)始。未來(lái)某天，我們可能會(huì)說(shuō)‘萬(wàn)億細(xì)胞時(shí)代’——而那，不過(guò)是單細(xì)胞研究的‘常規(guī)操作’?！?/strong>

最后，歡迎關(guān)注轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)網(wǎng)將于2025年9月19-20日在北京舉辦的，一起見(jiàn)證單細(xì)胞從基礎(chǔ)研究走向臨床應(yīng)用！

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