期刊：Science China-Life Sciences

影响因子：8.0

(1)胚胎发育研究

scRNA-seq在胚胎发育研究中扮演着关键角色，尤其是在区分和识别多样的细胞类型及其发展谱系方面具有重要价值。在曹等人（2019年）的研究中，通过分析小鼠胚胎中的2,072,011个单细胞，scRNA-seq技术识别出38种主要细胞类型和655个亚型。这项工作不仅揭示了哺乳动物器官形成过程中细胞类型的发育轨迹，还特别为骨骼肌细胞创建了详细的发育轨迹图，极大地丰富了我们对哺乳动物发育生物学的理解。研究人员还利用scRNA-seq技术重建了发育轨迹，并通过分析不同发育阶段的基因表达，揭示了调控细胞命运的复杂网络（吴等人，2024年）。

Scialdone等人（2016年）的研究通过分析1,205个早期原肠形成阶段的小鼠细胞，为健康哺乳动物在早期发育阶段创建了基因表达谱，并深入研究了关键的造血转录因子Tal1的功能，提供了一个具有启发性的研究案例。Nestorowa等人（2016年）的研究则通过分析超过1,600个单造血干细胞和祖细胞，揭示了造血干细胞的发育轨迹，并阐明了调控血细胞分化的分子机制。此外，scRNA-seq技术在识别胚胎发育中决定细胞命运的关键调控因子和信号通路方面也显示出其重要性。例如，Lescroart等人（2018年）的研究中，Mesp1被确定为小鼠心脏发育中心脏祖细胞特化的关键转录因子。温等人（2024年）通过整合来自胚胎干细胞和胚胎的人类中胚层细胞的scRNA-seq分析，识别并定义了倾向于造血谱系的人类造血中胚层细胞的分子特征。崔等人（2019年）的研究则探索了来自人类胚胎的近4,000个心脏细胞的基因表达图谱，识别了四种主要细胞类型，并揭示了对细胞成熟和分化可能至关重要的信号通路。这些研究成果为深入理解人类心脏发育的调控机制提供了坚实的基础。
(2)组织和器官发育研究

scRNA-seq的应用不仅限于胚胎细胞的研究，它还是一个强有力的工具，用于描绘器官或组织中细胞群体的发展和演变，为我们提供了动物组织和器官发育中关键转变的详尽信息（Mu等人，2019年；Paik等人，2020年）。接下来，我们将深入探讨scRNA-seq在组织和器官发育研究中的应用，特别强调其在揭示细胞多样性、识别稀有细胞群体以及洞察疾病机制方面的重要性。

2016年，人类细胞图谱（HCA）项目应运而生，这是一个雄心勃勃的国际合作项目，目标是全面绘制和详细描述人体中的每一种细胞类型。该项目的主要目标是揭示细胞的空间分布和功能联系，深化我们对人类生物学的认识，并最终提升疾病诊断和治疗的能力。自项目启动以来，众多scRNA-seq研究已经为构建这一宏伟的人类细胞图谱做出了显著贡献。在这一领域，韩等人（2020年）通过微孔测序技术（microwell-seq）对来自七种不同细胞培养和60种人类组织类型的702,968个单细胞进行了分析，揭示了多种人类组织中以前未知的细胞异质性。特别是在对人类肾脏组织的研究中，他们发现了成年肾脏中的新类型闰细胞以及胎儿肾脏中以前未被识别的S形小体细胞。这些在单细胞层面上构建的人类细胞图谱，为我们深入理解人类生物学提供了宝贵的资源。进一步地，琼斯等人（2022年）、埃拉斯兰等人（2022年）、多明格斯·孔德等人（2022年）以及索等人（2022年）的研究，通过分析超过100万个来自68个不同供体的细胞，涵盖了500多种不同细胞类型，构建了泛组织scRNA-seq图谱。这些研究通过跨组织的细胞类型和转录属性比较，识别了罕见的细胞类型、组织无关特征、组织特异性细胞状态，以及与疾病相关的细胞类型。这些泛组织研究在构建全面的人类单细胞图谱方面，标志着一个重要的里程碑，为未来的生物医学研究和临床应用开辟了新的道路。

scRNA-seq不仅在构建器官图谱方面发挥着关键作用，它还通过揭示与众多疾病相关的细胞特异性基因表达变化，为深入理解疾病机制提供了宝贵的洞见。威尔逊等人（2019年）对保存的人类糖尿病肾脏样本进行了全面的snRNA-seq分析，发现关键炎症标志物TNFRSF21和ILR1在免疫细胞中的表达显著上升，这些标志物可能成为监测疾病进展的生物标志物或糖尿病肾病早期治疗的潜在靶点。在另一项研究中，科尼希等人（2022年）运用snRNA-seq和scRNA-seq的组合方法，对27名健康个体和18名扩张型心肌病患者的心脏组织进行了分析。他们不仅解析了不同主要心脏细胞类型的特异转录程序，还识别出与疾病状态相关的基因表达模式，并进一步揭示了扩张型心肌病的分子机制。这些发现为心脏病的诊断和治疗提供了新的视角。

总体而言，scRNA-seq技术在绘制人类组织和器官的详尽图谱方面扮演了至关重要的角色。它不仅揭示了复杂的基因表达网络和细胞发育路径，还为理解特定器官或组织病变过程中的关键因素和潜在靶点提供了深刻见解。这些宝贵的信息资源不仅有助于我们深入理解疾病机制，而且为发展更有效的疾病治疗策略奠定了坚实的基础。

(1) 肿瘤异质性

肿瘤由多种细胞组成，每种细胞都具有其特定的基因表达模式和功能特征。尽管传统的整体RNA测序技术提供了丰富的信息，但它所反映的是整个肿瘤的基因表达平均水平，从而模糊了肿瘤内部细胞的多样性。scRNA-seq技术则能够精确识别并描述肿瘤中的不同细胞群体，为我们深入理解肿瘤的复杂生态提供了更为精细的视角。

例如，Hu等研究者在2020年通过scRNA-seq技术揭示了健康人类输卵管组织中六种输卵管上皮细胞亚型的存在，并关联了这些亚型与浆液性卵巢癌（SOC）患者的预后，同时展现了SOC内部的肿瘤异质性。Liang等研究者在2021年对八例高级别SOC病例的scRNA-seq数据进行分析，识别出20个具有组织特异性的细胞簇，并利用卵巢癌免疫细胞的异质性，开发了基于CXCL13和IL26两个基因的预后分层方法，以更精确地评估患者的预后风险。在胃癌（GA）领域，肿瘤异质性对精确诊断和治疗构成了重大挑战。Zhang等研究者在2021年运用无偏的scRNA-seq技术分析了来自九个GA样本和三个非肿瘤样本的27,677个细胞，揭示了GA患者内部及不同患者间的细胞分化和异质性，为理解罕见的主细胞型GA（GA-FG-CCP）的分子构成提供了新见解，并基于这些发现提出了区分良性与恶性上皮的生物标志物组合。Zhong等研究者在2022年利用scRNA-seq技术探索了9名多发性骨髓瘤患者的细胞异质性和规律网络，通过分析发现了疾病不同阶段的独特分子、网络和交叉对话对，为疾病的预后和治疗提供了宝贵的洞见。因此，scRNA-seq技术通过揭示肿瘤异质性的复杂性，助力研究人员深入理解肿瘤中的各种细胞类型、它们的相互作用，以及它们对肿瘤发展、进展和治疗反应的影响。

(2)肿瘤微环境

肿瘤微环境（TME）包含癌细胞、免疫细胞、基质细胞和血管细胞等细胞类型。它在肿瘤的发展、侵袭性增强以及对治疗的响应中起着至关重要的作用。scRNA-seq技术能够通过分析这些细胞群体的基因表达图谱，识别并分类不同的细胞亚群，从而揭示TME的复杂性。

scRNA-seq技术通过解析个体细胞的转录组，能够有效地鉴定肿瘤微环境（TME）中的稀有细胞群，例如肿瘤浸润性淋巴细胞（TILs）、癌相关成纤维细胞（CAFs）和骨髓源性抑制细胞（MDSCs）。在中国研究团队开展的一项标志性研究中，他们运用scRNA-seq技术对来自九位胃癌患者的47,304个细胞进行了转录组分析。这项研究揭示了胃癌TME中多种免疫细胞亚群的存在，包括调节性T细胞（Tregs）、CD4+ T细胞、CD8+ T细胞、自然杀伤（NK）细胞和先天淋巴细胞（ILCs）（Li et al., 2022k）。尤为重要的是，该研究观察到胃癌组织中调节性T细胞的富集现象，这些细胞表现出免疫抑制相关基因——如双特异性磷酸酶4（DUSP4）、白介素2受体亚基α（IL2RA）、肿瘤坏死因子受体超家族成员4（TNFRSF4）、LAYN和LGALS1——的表达水平升高，这一发现暗示了胃癌中存在一个免疫抑制性的微环境。这些基因的表达模式可能与肿瘤的免疫逃逸机制有关，为癌症免疫治疗提供了潜在的靶点。

深入解析肿瘤微环境（TME）内的细胞异质性和基因表达模式，有望推动新一代靶向癌症治疗药物的研制以及前沿早期诊断技术的发展。Savas等人开展的研究揭示了肿瘤浸润性T细胞群体中的显著异质性，该研究通过scRNA-seq技术对123名乳腺癌患者的6,311个肿瘤内T细胞进行了深入分析。研究发现，在乳腺癌患者中，肿瘤浸润性淋巴细胞（TILs）数量较高的个体，其CD8+ T细胞表现出组织驻留记忆T（TRM）细胞的特征性发育轨迹。尤为重要的是，这些CD8+ TRM细胞高表达细胞毒性效应蛋白，如穿孔素（PRF1）和颗粒溶素（GZMB），以及免疫检查点分子，包括程序性死亡蛋白1（PDCD1，亦称为PD-1）和细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4（CTLA4）（Savas et al., 2018）。此外，在早期三阴性乳腺癌患者中，CD8+ TRM细胞亚群的基因表达谱与患者预后的改善呈现出显著相关性。这些发现突显了scRNA-seq技术在识别与免疫监视或免疫抑制相关的TILs亚群方面的能力，这些亚群可能成为乳腺癌治疗的潜在靶点或预后生物标志物。

(3)治疗选择和监测

在癌症研究领域，利用scRNA-seq技术来制定个性化治疗方案显得尤为重要。肿瘤由多种细胞组成，包括内皮细胞、间质细胞、免疫细胞以及恶性细胞，这些不同类型的细胞在治疗抵抗、肿瘤转移和形成过程中都扮演着关键角色。scRNA-seq技术通过细致分析肿瘤内部单个细胞的基因表达图谱，能够精准识别出那些在肿瘤发展和对治疗产生抗性中发挥核心作用的特定细胞亚群。

在Tirosh等人（2016年）的研究中，scRNA-seq被应用于深入分析黑色素瘤肿瘤的细胞异质性，并精确定位与治疗抗性相关的特定细胞状态。该研究发现了一个肿瘤细胞亚群，其AXL基因表达显著上调，这与对靶向治疗的抗性密切相关。这一突破性发现为设计针对AXL信号通路及其它靶向治疗通路的联合疗法提供了理论基础，有望提升治疗效果。

然而，并非所有患者都能对免疫检查点抑制剂如抗PD-1和抗CTLA-4抗体产生响应，这些疗法通过增强免疫系统识别和攻击癌细胞的能力，已经在癌症治疗领域引起了革命性变化。为了探究这种抗性的潜在机制并优化治疗效果，麻省理工学院和哈佛大学Broad研究所的科学家们开展了一项研究，利用scRNA-seq技术对33名黑色素瘤患者的肿瘤样本中的单个细胞基因表达谱进行了分析。这项分析揭示了一种名为T细胞排除程序（TEX）的独特癌细胞亚群。这些TEX细胞在肿瘤微环境中主动抑制T细胞的招募和活化，构建了一个免疫抑制屏障，使癌细胞得以逃避免疫系统的攻击。TEX程序与对免疫检查点阻断疗法的抗性和对PD-1抗体治疗的不良响应相关联，可能成为克服免疫抗性的一个潜在治疗靶点。

免疫系统，由免疫分子、免疫细胞和免疫器官构成，是维持身体内环境稳定的关键系统。其主要功能是识别并排除体内的抗原性异物（Akar-Ghibril, 2022; See et al., 2018）。在与感染作斗争的过程中，免疫系统有时可能引发针对自身组织的抗原反应，进而导致免疫失调，损害特定的组织或器官（Li et al., 2022m; Suo et al., 2022）。鉴于免疫疾病的发病机制复杂多样，迅速识别疾病的触发因素对于免疫疾病的治疗极为关键（Zhao et al., 2021b）。scRNA-seq作为一种先进的技术手段，能够揭示新的细胞亚群，追踪免疫细胞的发育轨迹，并识别免疫疾病中免疫反应的调控网络。这有助于在单细胞层面深化对免疫疾病发病机制的理解，并为开发新疗法、造福更多患者提供了可能。

(1)免疫细胞异质性研究

scRNA-seq技术能够精细描绘组织和器官内单个细胞的特征，并发掘出稀有乃至先前未知的细胞群落。在免疫学疾病的研究领域，这项技术已经揭示了多种不同的免疫细胞亚群及其特定的功能状态，为我们深入理解免疫系统的复杂性提供了新的视角。

He等人（2023年）利用scRNA-seq对老年斑马鱼大脑中的26,456个免疫细胞进行了深入分析，发现小胶质细胞和T细胞在衰老引起的神经退行性变化中扮演着关键角色。在美国进行的另一项研究中，研究人员通过scRNA-seq技术分析了33名儿童系统性红斑狼疮（cSLE）患者及11名健康对照者的约276,000个单核外周血单核细胞（PBMCs）的转录组（Nehar-Belaid等人，2020年）。这项研究不仅鉴定出两个新的细胞亚群——ISGhi T-SC4和高表达细胞毒性蛋白的CD8+ T细胞，还揭示了与疾病严重程度密切相关的SLE特异的激活NK细胞和ISGhi NK-SC。这些发现为我们深入理解SLE的异质性、免疫系统的细胞构成和功能多样性提供了新的视角，并有助于揭示推动疾病进展的潜在机制。Zheng等人（2022年）通过scRNA-seq技术构建了与狼疮发病机制相关的单细胞图谱，阐明了盘状红斑狼疮（DLE）和SLE皮肤病变中的异质性特征，为探索新的治疗干预途径提供了重要线索。

(2)免疫疾病机制研究

scRNA-seq技术赋予了研究人员深入解析免疫疾病复杂细胞构成的能力，使他们能够精确识别失调的信号通路，并发现可能对疾病发展有重要作用的新细胞类型或亚型。这项技术的应用预期将在免疫疾病的诊断、治疗和管理工作中带来革命性的进步。Gaydosik等人（2021年）利用10x Genomics平台，对来自10名健康志愿者和27名活动性系统性硬化症（SSc）患者皮肤活检样本中的3,729个CD3+淋巴细胞进行了深入研究。该研究揭示了在健康个体和SSc患者皮肤中存在的不同组织驻留与循环T细胞亚群，并鉴定出促成炎症性免疫紊乱的关键细胞因子。这些成果不仅加深了我们对疾病免疫机制的理解，也为开发针对SSc的创新性个性化治疗方案提供了新的可能性。徐等人（2022年）通过单细胞转录组技术深入探究了白癜风的发病机制，揭示了皮肤成纤维细胞与白癜风之间的密切联系，并进一步明确了白癜风发病的位置倾向性，这对于制定新的白癜风治疗方案具有重要的指导价值。

结核杆菌感染引起的肺结核常表现为间质性肺炎、肉芽肿病变及空洞性液化病变（Hunter等，2014年）。王等人（2023年）通过scRNA-seq技术对结核病患者的肺组织进行了分析，探究了18F-FDG高亲和力区域及其周边未受影响组织的细胞异质性和相互作用，鉴定出29种不同的细胞亚群，包括免疫细胞和实质细胞，每个亚群都有其特定的标记基因。这些发现为深入了解结核感染肺部中的免疫和非免疫细胞群体提供了宝贵的信息，对于揭示结核感染期间细胞间的复杂相互作用至关重要，并可能揭示新的治疗靶点。赵等人（2023年）利用scRNA-seq分析了淋巴结中对鼠疫杆菌感染的免疫反应，为理解鼠疫早期发病机制提供了新的视角。蔡等人（2020年）对COVID-19患者的呼吸道样本进行了scRNA-seq，识别了与疾病严重程度相关的分子标志。这些研究深化了我们对传染病分子机制的理解，为开发更有效的诊断工具、治疗方法和预防策略奠定了基础。

(1)目标识别

scRNA-seq技术在药物发现的早期阶段起到重要作用，尤其在疾病发病机制中关键治疗靶点的识别方面。该技术通过揭示疾病状态下细胞类型的失调和状态变化，促进了治疗靶点的识别。通过对单个细胞的转录组进行分析，能够鉴定出疾病相关细胞群体与健康对照中表现出差异表达的特定基因和信号通路。这些信息对于指导潜在的治疗靶点进行深入研究至关重要。

例如，Abdelfattah等人（2022年）应用scRNA-seq技术对胶质母细胞瘤样本中的逾20万个人源胶质瘤细胞、免疫细胞和基质细胞进行了深入分析。该研究鉴别出S100A4作为胶质母细胞瘤免疫治疗的新型靶点。尤为引人注目的是，靶向敲除非肿瘤细胞中的S100A4能够显著重塑免疫系统，进而导致生存率的显著提升。在慢性胰腺炎的研究领域，对胰腺免疫细胞及T细胞受体进行的单细胞测序分析揭示了潜在的治疗靶点。在遗传性慢性胰腺炎患者中，CCR6-CCL20信号通路的鉴定为人类疾病的靶向干预提供了新的途径（Lee等人，2022年）。为了探究肿瘤与周围免疫微环境的相互作用，美国德克萨斯大学MD Anderson癌症中心的研究团队对5例早期肺腺癌患者及14个多区域正常肺组织样本中的186,916个细胞进行了scRNA-seq分析（Sinjab等人，2021年）。分析结果表明，肿瘤上皮细胞中CD24的表达水平显著上调，并且与促肿瘤免疫表型及预后不良相关。这些发现暗示CD24可能是早期肺腺癌治疗的一个有潜力的靶点。

(2)药物筛选和优化

scRNA-seq在药物筛选和优化中扮演了关键角色，显著提升了药物筛选的效率和精确性。传统的药物筛选方法常依赖于细胞群体，这些方法可能无法充分捕捉目标组织或器官中的细胞异质性。通过scRNA-seq技术，研究者能够识别并分离出特定的细胞类型或感兴趣的亚群，实现对这些细胞对不同药物候选物反应的更精细评估。

例如，曹等人（Cao et al., 2020a）利用高通量单细胞RNA和VDJ测序技术，从60名康复患者中富含抗原的B细胞中筛选出针对SARS-CoV-2的14种强中和抗体。在这些抗体中，BD-368-2显示出最强的中和效果，并在hACE2转基因小鼠模型中验证了其治疗和预防活性。这项工作展示了高通量单细胞测序技术在发现人类中和抗体方面的有效性，尤其在传染病大流行期间具有重要意义。

(3)药物作用机制

scRNA-seq技术为探究药物诱导的细胞和分子层面变化提供了一种强有力的工具，使得全面解析药物作用机制成为可能。例如，Taukulis等人（2021年）通过scRNA-seq分析了小鼠模型中顺铂引发的急性耳毒性。他们对顺铂处理的成年迷路血管纹（striatum vascularis）与未处理的成年对照组进行了转录组比较，从而揭示了细胞类型特异性的调控网络。研究结果表明，迷路血管纹中的边缘细胞和中间细胞对顺铂暴露尤为敏感。此外，scRNA-seq数据分析还发现了与化疗相关耳毒性相关的特定基因表达变化，其中Alcam、Atp1b2、Spp1和Car12等基因表达下调，而Klf10、Cldn3和Tspan1等基因表达上调。这些差异表达基因可能成为减轻化疗引起的耳毒性的新型治疗靶点。张等人（2022年）则运用scRNA-seq结合细胞及生化方法，研究了二氢青蒿素的免疫调节作用机制。他们的研究揭示了二氢青蒿素通过激活SOD3-JNKAP-1信号通路，正向调节免疫细胞异质性和脾脏免疫细胞稳态，对治疗自身免疫疾病具有潜在疗效。深入理解药物的作用机制对于提升治疗效果和降低不良反应具有重要意义。

(4)患者分层

scRNA-seq技术是个性化医疗领域的关键工具，其核心目标是基于个体患者的分子特征来定制化治疗方案。通过解析单个细胞的转录组图谱，该技术促进了患者分层策略的发展，并助力于发现与疾病预后及治疗反应性密切相关的生物标志物。

在婴儿急性淋巴细胞性白血病（iALL）这一临床背景下，疾病复发往往伴随着致命风险（Pieters等人，2019年）。scRNA-seq技术在iALL的预后风险评估方面展现出巨大潜力。Candelli等人（2022年）对MLL重排型婴儿急性淋巴细胞性白血病（MLL-r iALL）患者样本进行了scRNA-seq分析，通过定量分析对治疗敏感与耐药细胞的比例，研究者能够预测MLL-r iALL的复发时间点。这一策略在预后风险分层方面超越了现有的方案，突显了scRNA-seq在优化预后生物标志物、提升治疗成效方面的应用前景。

scRNA-seq技术的应用彻底革新了我们对细胞异质性、疾病进程及治疗反应的单细胞层面认知。它在治疗靶点的鉴定、药物筛选与优化、作用机制的阐释以及患者分层等多个方面均做出了重要贡献。将scRNA-seq技术融入药物研发流程，对于开发更具针对性和有效性的治疗策略具有重大意义，有望显著提升患者临床治疗结果。