單細(xì)胞技術(shù)：解鎖病毒性疫苗研發(fā)的新密碼

摘要：從愛德華?詹納的牛痘接種到如今的 mRNA 疫苗，疫苗研發(fā)走過了漫長(zhǎng)的歷程，但免疫反應(yīng)的復(fù)雜性始終是研發(fā)路上的難題。單細(xì)胞技術(shù)的出現(xiàn)打破了這一困境，它能從表觀基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組等多維度，在單個(gè)細(xì)胞層面解析免疫反應(yīng)的細(xì)節(jié)。本文將帶你了解這項(xiàng)技術(shù)如何從病毒研究、疫苗效果評(píng)估到生產(chǎn)制造，全方位推動(dòng)病毒性疫苗的研發(fā)革新。

一、疫苗研發(fā)的百年進(jìn)化與單細(xì)胞技術(shù)的登場(chǎng)

疫苗是人類對(duì)抗病毒的重要武器，自 1796 年愛德華?詹納發(fā)明牛痘疫苗以來，疫苗研發(fā)技術(shù)不斷迭代。最初的減毒活疫苗和滅活疫苗依靠經(jīng)驗(yàn)研發(fā)，直到 20 世紀(jì)初，細(xì)胞培養(yǎng)、電子顯微鏡等技術(shù)出現(xiàn)，才讓流感疫苗等產(chǎn)品得以誕生（圖 1）。

到了中后期，重組 DNA 技術(shù)、PCR 技術(shù)的應(yīng)用，催生了病毒樣顆粒（VLPs）、病毒載體疫苗，甚至是近年的 mRNA 疫苗。但即便如此，免疫系統(tǒng)的異質(zhì)性—— 不同人、不同細(xì)胞的免疫反應(yīng)千差萬別，依然讓疫苗研發(fā)難以做到精準(zhǔn)有效。

就在這時(shí)，單細(xì)胞技術(shù)在 2000 年后逐漸成為研究熱點(diǎn)（圖 1）。它能像 “放大鏡” 一樣，聚焦到單個(gè)細(xì)胞的層面，分析細(xì)胞的基因表達(dá)、蛋白質(zhì)水平、表觀遺傳狀態(tài)等，讓科學(xué)家看清免疫反應(yīng)的 “微觀世界”，這也為疫苗研發(fā)打開了全新的視角。

圖 1：疫苗平臺(tái)與關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)室技術(shù)發(fā)展時(shí)間線

二、單細(xì)胞技術(shù)：解析免疫的 “微觀探測(cè)器”

單細(xì)胞技術(shù)涵蓋了表觀基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，每種技術(shù)都能從不同角度揭示細(xì)胞的秘密（表 1、圖 2）。

單細(xì)胞表觀基因組學(xué)里的 scATAC-seq 技術(shù)，能檢測(cè)染色質(zhì)的可及性，找出調(diào)控免疫反應(yīng)的關(guān)鍵基因區(qū)域。比如它能發(fā)現(xiàn)病毒感染或疫苗接種后，細(xì)胞內(nèi)哪些基因開關(guān)被打開或關(guān)閉，從而理解免疫反應(yīng)的調(diào)控機(jī)制。

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)中的 scRNA-seq 是應(yīng)用最廣的技術(shù)之一，它能分析單個(gè)細(xì)胞里的 mRNA，識(shí)別免疫細(xì)胞的亞型，甚至同時(shí)檢測(cè)宿主和病毒的 RNA，搞清楚病毒到底感染了哪些細(xì)胞。而 scVDJ-seq 則專門分析 B 細(xì)胞和 T 細(xì)胞的受體基因，找到能對(duì)抗病毒的關(guān)鍵免疫細(xì)胞克隆。

單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)包括流式細(xì)胞術(shù)、CyTOF、IMC 等技術(shù)，直接檢測(cè)細(xì)胞里的蛋白質(zhì)。比如流式細(xì)胞術(shù)能快速分析大量細(xì)胞的蛋白表達(dá)，IMC 還能在組織切片里定位蛋白，看清免疫細(xì)胞在組織里的分布和相互作用。

此外，CITE-seq這類多組學(xué)技術(shù)，還能同時(shí)分析細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組，讓科學(xué)家對(duì)細(xì)胞狀態(tài)的理解更全面。

表 1：感染和疫苗研究中的常見單細(xì)胞技術(shù)，包含技術(shù)類型、研究視角、應(yīng)用案例、通量和多重性、相關(guān)綜述等內(nèi)容

圖 2：用于疫苗研發(fā)的單細(xì)胞技術(shù)選擇與應(yīng)用，展示了表觀基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等技術(shù)在病毒感染或疫苗接種研究中的應(yīng)用

三、單細(xì)胞技術(shù)如何重塑疫苗研發(fā)全流程

單細(xì)胞技術(shù)正在改變研究人員對(duì)病毒感染免疫反應(yīng)的研究方式，為解析細(xì)胞異質(zhì)性提供了前所未有的分辨率。這些技術(shù)如今正越來越多地應(yīng)用于疫苗研發(fā)的整個(gè)流程，從揭示免疫激活機(jī)制到評(píng)估疫苗效力，再到優(yōu)化生產(chǎn)工藝（圖 3）。下面，我們將通過代表性研究，展示單細(xì)胞技術(shù)如何塑造疫苗學(xué)領(lǐng)域，加速疫苗的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用。具體來說，我們將介紹單細(xì)胞技術(shù)如何助力疫苗的研發(fā)、評(píng)估與生產(chǎn)。

圖 3：疫苗研發(fā)階段。綠色箭頭表示標(biāo)準(zhǔn)的順序推進(jìn)流程，紅色箭頭表示因研發(fā)失敗回到早期階段，橙色箭頭表示信息反饋對(duì)前期階段的優(yōu)化。

（一）揭秘病毒感染，為疫苗設(shè)計(jì)找方向

要研發(fā)有效的疫苗，首先得搞清楚病毒的 “套路”。單細(xì)胞技術(shù)能幫科學(xué)家確定病毒嗜性—— 病毒最喜歡感染哪些細(xì)胞。比如用 scRNA-seq 分析流感病毒感染的小鼠肺部，發(fā)現(xiàn)病毒不僅感染上皮細(xì)胞，還會(huì)盯上內(nèi)皮細(xì)胞、粒細(xì)胞等；用 IMC 分析新冠患者的肺組織，也發(fā)現(xiàn)新冠病毒能感染肺泡上皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等多種細(xì)胞。

同時(shí)，單細(xì)胞技術(shù)還能識(shí)別病毒表位，也就是病毒能被免疫系統(tǒng)識(shí)別的關(guān)鍵部位。比如通過 scVDJ-seq 分析新冠患者的 T 細(xì)胞，找到能識(shí)別病毒的關(guān)鍵受體序列，為設(shè)計(jì)肽疫苗提供依據(jù)；LIBRA-seq 技術(shù)還能直接匹配 B 細(xì)胞受體和病毒抗原，發(fā)現(xiàn)新冠病毒的關(guān)鍵表位。

此外，對(duì)比感染后康復(fù)者和重癥患者的免疫細(xì)胞，單細(xì)胞技術(shù)能找出保護(hù)性免疫特征。比如發(fā)現(xiàn)輕癥新冠患者體內(nèi)有更多的漿細(xì)胞樣樹突狀細(xì)胞和組織駐留記憶 T 細(xì)胞，而重癥患者則有大量中性粒細(xì)胞和促炎單核細(xì)胞，這些發(fā)現(xiàn)能指導(dǎo)疫苗設(shè)計(jì)，讓疫苗誘導(dǎo)出有效的免疫反應(yīng)。

（二）評(píng)估疫苗效果，找到保護(hù)的 “金標(biāo)準(zhǔn)”

疫苗研發(fā)出來后，得知道它是否真的有效。傳統(tǒng)的抗體檢測(cè)有局限，而單細(xì)胞技術(shù)能找到更精準(zhǔn)的保護(hù)相關(guān)指標(biāo)（CoPs）。比如研究發(fā)現(xiàn)，口服流感疫苗的保護(hù)效果和漿母細(xì)胞的數(shù)量相關(guān)，而注射疫苗則和抗體滴度相關(guān)；新冠疫苗接種后，體內(nèi) ICOS+CD38+CD8+ T 細(xì)胞的數(shù)量，能預(yù)測(cè)疫苗的保護(hù)效果。

不僅如此，單細(xì)胞技術(shù)還能分析疫苗不同成分的效果，比如佐劑、接種途徑對(duì)免疫反應(yīng)的影響。例如對(duì)比不同佐劑的新冠疫苗，發(fā)現(xiàn) ALFQ 佐劑能誘導(dǎo)更強(qiáng)的 T 細(xì)胞反應(yīng)；不同接種途徑中，肌肉注射能引發(fā)更有效的 CD8+ T 細(xì)胞反應(yīng)。

對(duì)于疫苗的不良反應(yīng)，單細(xì)胞技術(shù)也能找到原因。比如分析接種 mRNA 疫苗后出現(xiàn)心肌炎的患者，發(fā)現(xiàn)其體內(nèi)干擾素信號(hào)被抑制，促炎細(xì)胞因子通路卻被激活，這為優(yōu)化疫苗安全性提供了線索。

（三）優(yōu)化疫苗生產(chǎn)，提升制造效率

疫苗生產(chǎn)也離不開單細(xì)胞技術(shù)。比如用 scRNA-seq 分析生產(chǎn)疫苗的 CHO 細(xì)胞系，發(fā)現(xiàn)部分細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)基因表達(dá)異常，導(dǎo)致抗體產(chǎn)量下降，這能幫助廠家監(jiān)控細(xì)胞狀態(tài)，保證生產(chǎn)穩(wěn)定性；分析生產(chǎn)流感 VLPs 的昆蟲細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)感染后細(xì)胞的內(nèi)吞作用和熱休克反應(yīng)相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)，針對(duì)這些基因優(yōu)化，能提高疫苗產(chǎn)量。

四、單細(xì)胞技術(shù)的未來：精準(zhǔn)疫苗時(shí)代來臨

未來，單細(xì)胞技術(shù)還將繼續(xù)推動(dòng)疫苗研發(fā)的進(jìn)步。多組學(xué)整合會(huì)讓科學(xué)家更全面地理解免疫反應(yīng)，個(gè)性化疫苗也將成為可能 —— 根據(jù)每個(gè)人的免疫特征，設(shè)計(jì)專屬的疫苗方案。同時(shí)，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)合，能更快地從海量單細(xì)胞數(shù)據(jù)中挖掘有用信息，加速疫苗研發(fā)進(jìn)程。

不過，單細(xì)胞技術(shù)也面臨著數(shù)據(jù)量大、分析復(fù)雜等挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷成熟，這些難題終將被攻克。相信在不久的將來，單細(xì)胞技術(shù)會(huì)讓我們研發(fā)出更有效、更安全的病毒性疫苗，為人類健康保駕護(hù)航。

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