凝膠微膠囊，登上Science！

革命性凝膠微膠囊技術CAGES問世

在當今生命科學研究中，單細胞測序技術已成為揭示細胞異質性與動態過程的利器。然而，該領域長期面臨一個關鍵瓶頸：如何將需要多步操作、條件各異的基因組學分析（尤其是涉及活細胞的實驗）拓展至高通量水平。現有的主流技術，如微孔板、微滴或細胞內條形碼標記，各自在通量、靈敏度或實驗復雜度上存在局限，難以在維持細胞活性的同時，進行復雜的多步驟分子生物學操作。

為此，哈佛醫學院系統生物學系的Allon M. Klein團隊開發了一項突破性技術——具有兩親性凝膠外殼的膠囊（CAGES）。CAGES能夠選擇性截留細胞和大分子分析物，同時允許培養基、酶和小分子試劑自由進出，從而首次實現了將活細胞培養與全基因組測序相結合的高通量多步驟實驗。研究人員還建立了相應的膠囊內DNA文庫條形碼標記方法，并成功應用于對數萬個擴增細胞克隆的轉錄組進行測序，以研究基因表達程序的持久性。CAGES與多種酶促反應的兼容性，有望極大擴展當前單細胞高通量測量的范圍，并將其延伸至活細胞分析領域。相關論文以“Multistep genomics on single cells and live cultures in subnanoliter capsules”為題，發表在

Science

這項技術的核心在于CAGES獨特的設計與制備。如圖1所示，研究人員利用微流控液滴內的液-液相分離技術，構建了由Pluronic F127二丙烯酸酯等兩親性聚合物形成的凝膠外殼。這種外殼具有類似泡沫的多孔結構（孔徑10-50納米），能允許小蛋白（如DNA聚合酶）和寡核苷酸等小分子擴散通過，卻能將雙鏈DNA等大分子有效截留在膠囊內部的液體核心中（圖1F, G, H, I）。這種可調控的通透性閾值使CAGES成為一個物理性質穩定的通用平臺，既能像微孔板一樣培養和操作單個活細胞或克隆（圖1D），又能像微滴一樣進行大規模并行處理，甚至可以通過流式細胞分選儀進行分選富集（圖1J）。

圖1：Pluronic二丙烯酸酯膠囊的概念、開發與表征。 （A）半透性膠囊示意圖及其對高通量單細胞分析的相關特性。（B）膠囊中大規模并行多步驟分析潛力示意圖，包括通過迭代添加和去除試劑、成像、分選和測序對單個或培養細胞進行處理。（C）明場顯微照片（左）和示意圖（右）顯示使用微滴發生器共流動兩親性功能化外殼聚合物和親水性核心聚合物生成CAGES的過程，該體系在液滴形成時發生相分離。隨后通過405nm依賴的外殼聚合物交聯將其轉化為CAGES。紅色箭頭指示單個細胞。插圖為間隔0.12秒的兩個快照。比例尺 = 100 μm。（D）在含有單個細胞的DPBS中，8% (w/v):1% (w/v) F127DA:PPPDA外殼、13% (w/v)葡聚糖核心的CAGES的明場顯微照片。（E）明場顯微照片證明多種兩親性PEG共聚物可形成膠囊。比例尺 = 50 μm。（F）冷凍斷裂膠囊的冷凍掃描電鏡圖像，顯示Pluronic二丙烯酸酯外殼膜上孔隙的放大圖。紅色箭頭指向表面孔隙。（G）分析物擴散時間序列中膠囊的共聚焦和明場成像的示例合成顯微照片。（H）量化不同大小分析物在不同鹽濃度存在下通過CAGE外殼的擴散半衰期的強度時間序列。（I）擴散半衰期顯示CAGE通透性存在尖銳的尺寸依賴性截斷。圖表表示來自≥3次獨立實驗的平均數據，誤差條為標準差；完整數據見表S2。（J）基于流式細胞術的CAGES富集。初始含有<10%標記膠囊的樣本（左上）和分選后樣本（右上）的合成熒光和明場顯微照片，分選后產生約98% FITC陽性CAGES（下圖）。比例尺 = 100 μm。

為實現對海量膠囊內樣本的高通量測序，團隊開發了名為“inC-seq”的靈活拆分-合并條形碼標記策略（圖2A）。該策略通過在膠囊內進行多輪連接和PCR反應，為每個膠囊內的DNA文庫賦予獨特的組合條形碼。實驗證明，該方法能高效地區分來自不同膠囊的樣本，交叉污染率極低，與泊松加載模型的預期一致（圖2D）。這表明CAGES在整個復雜的多步條形碼標記過程中，能有效地隔離每個單元內的生物材料。

圖2：基于拆分-合并策略的CAGES條形碼標記用于高通量測序（inC-seq）。 （A）膠囊內DNA文庫拆分-合并條形碼標記示意圖，展示了本工作中使用的通過連接和PCR進行三輪條形碼標記的示例。初始文庫在共同文庫末端序列中含有一個尿嘧啶殘基（紅色），該殘基可被尿嘧啶特異性切除試劑切割，產生具有5‘-磷酸的黏性末端。該黏性末端與含有孔板特異性條形碼的條形碼雙鏈寡核苷酸陣列連接。重復此過程以引入第二個條形碼，并通過PCR引物引入第三個條形碼。（B）在CAGES中高效順序酶促處理DNA的演示，實現了（A）中的步驟（1）。初始未標記文庫（左圖）通過將膠囊在PCR反應混合物中孵育進行擴增，PCR引物含有尿嘧啶和其3‘末端的Cy5標記。PCR和洗滌后（中圖），CAGES顯示出保留了現在附著在膠囊內DNA上的Cy5熒光。尿嘧啶切除和洗滌切除了標記引物，產生突出端并失去Cy5熒光（右圖）。（C）五步條形碼標記方法后DNA擴增子測序數據中的條形碼表示：在擴增期間添加了14個PCR條形碼，隨后進行3步48重拆分-合并條形碼添加和膠囊溶解后的16個索引。（D）通過膠囊有效分離文庫，通過單細胞gDNA轉基因位點（編碼GFP或RFP序列）的inC-seq分析觀察到低交叉污染。圖表顯示映射到GFP或RFP的讀數數量，每個點對應一個唯一的膠囊條形碼。觀察到的雙聯體率符合預期（2.1%），對應于平均細胞負載為0.1個細胞/CAGE、觀察到細胞負載比例為70:30 RFP:GFP生成的CAGES。插圖為裂解前含有細胞的CAGES示例。比例尺 = 50 μm。

憑借CAGES的通用性，研究人員成功建立了多種單細胞基因組學分析方法。他們優化了單膠囊轉錄組測序（inC-RNA-seq）和單膠囊染色質可及性測序（inC-ATAC-seq）方案（圖3A, B）。無論是分析人鼠混合細胞以驗證樣本隔離效果（圖3C, D），還是對標商業液滴系統（10x Genomics）的性能，inC-RNA-seq均展現出高靈敏度和可重復性（圖3E）。此外，該技術還成功應用于處理固定后復蘇、低溫凍存甚至在培養基中直接封裝的細胞樣本，顯示出處理復雜樣本的巨大潛力（圖3F-H）。在對人外周血單個核細胞（PBMC）的大規模分析中，inC-RNA-seq獲得了超過4.3萬個細胞的轉錄組，清晰解析了PBMC的各類細胞亞群，其性能與主流方法相當（圖3I-M）。

圖3：膠囊通過多步處理實現單細胞基因組學分析。 （A）inC-RNA-seq和inC-ATAC-seq文庫制備模式的示意圖。在通過逆轉錄和轉座步驟捕獲轉錄本（RTb和UMI）和可及gDNA區域（Tn5b）期間，會添加額外的條形碼和序列。捕獲并擴增的含dU分子經過拆分-合并條形碼標記和測序。（B）顯微照片顯示在CAGES中進行單細胞RNA-seq文庫制備的連續階段，從初始細胞封裝到裂解，再到in-CAGE條形碼標記前生成擴增的互補DNA（cDNA）文庫。gDNA用SYBR Safe染料染色；cDNA用與PCR擴增引物結合的Cy5熒光團染色。（C和D）圖表顯示每個CAGE對應的映射到人（y軸）和小鼠（x軸）RNA-seq（左）或ATAC-Seq（右）inC-seq文庫的UMI或DNA片段數量。觀察到的混合物種雙聯體率符合預期：（C）為2.1%（負載為0.083個細胞/CAGE），（D）為1.9%（負載為0.1個細胞/CAGE）。（E）對來自CAGE scRNA-seq文庫的讀數進行下采樣后，與公開可用的10x Genomics NextGem v3.1數據比較的UMI/reads圖表。（F至H）針對從新鮮或PFA固定的K562細胞（F）、新鮮或冷凍的HEK293T細胞（G）或使用DPBS或培養基制備的膠囊（H）生成的文庫，如（E）的UMI/reads圖表。（I）來自外周血單個核細胞（PBMC）的inC-RNA-Seq數據的二維UMAP嵌入。（J）顯示低豐度和高豐度細胞類型特異性基因覆蓋度的基因表達熱圖，以及（K）T細胞和NK細胞亞群劃分的高分辨率群體結構。（L）如（F）生成的UMI/reads圖表，現針對PBMC數據生成，并比較inC-seq與10x Genomics GEMCode的數據。（M）比較inC-seq和10x Genomics NextGem v3.1之間，每個細胞檢測到的基因數量與測序深度的函數關系。

CAGES最具革命性的應用在于其支持大規模的活細胞克隆培養與功能分析。通過優化封裝條件，研究人員成功在膠囊內培養了多種細胞系、小鼠原代造血干細胞乃至人誘導多能干細胞，且細胞在膠囊內的分裂速度與在培養板中無顯著差異，轉錄組也未發生顯著改變（圖4A-C）。利用這一能力，他們設計了一項大規模平行活細胞實驗，以研究表觀遺傳記憶的持久性以及藥物對其的影響。他們將經過DNA甲基轉移酶抑制劑（地西他濱、5-氮雜胞苷）或組蛋白去乙酰化酶抑制劑（伏立諾他）預處理的K562和L1210癌細胞封裝入CAGES，在持續給藥條件下培養6天，并分時間點對數千個克隆進行轉錄組測序（圖4D）。通過非負矩陣分解分析，他們識別出在克隆間持續異質表達的基因程序（圖4E, F, G），其中一些程序在克隆擴增后仍保持互斥表達模式（圖4H）。

圖4：CAGES中的活細胞克隆擴增揭示了持續的基因表達程序。 （A）顯示培養細胞系、小鼠原代骨髓造血干細胞（mHSCs）和人誘導多能干細胞（hiPSCs）的克隆在CAGES中生長的顯微照片。比例尺 = 50 μm。（B）同時培養的封裝克隆的顯微照片。比例尺 = 100 μm。圖像顯示了在CAGES中擴增的高密度K562（多克隆）克隆。（C）在培養板或CAGES中培養的細胞的分裂時間。每個點對應于通過延時顯微鏡評估的單個細胞分裂時間（K562: n=156；L1210: n=127）。t檢驗p值>0.8。（D）用于鑒定癌細胞系在經載體（對照）、DNMT抑制劑（5-氮雜胞苷（Aza）；地西他濱（Dec））或HDAC抑制劑（伏立諾他（Vor））處理后，持續基因表達程序的實驗方案圖。顯微照片顯示了不同時間點的示例膠囊。（E至H）K562細胞中持續基因表達程序的證據；L1210細胞見圖S6。（E）在第4-6天K562細胞對照樣本中，克隆間基因-基因表達相關性聚類顯示出結構化的程序證據，而當隨機將第0天取樣的細胞組合成“模擬”克隆時，這些程序消失。（F）通過非負矩陣分解（NMF）鑒定的基因表達程序的主要貢獻基因，識別出紅系、細胞周期、波形蛋白和角蛋白相關程序。完整程序負載見表S3。（G）對照克隆之間15個NMF衍生程序變異的箱線圖，顯示與模擬克隆相比，隨時間推移存在持續的異質性。（H）一些基因表達程序在克隆擴增后仍保持互斥性，從觀察到的混合NMF程序克隆數量低于預期可以看出（觀察值/預期值 = fObs/fExp；p值來自Fisher精確檢驗）。

通過對克隆生長過程中基因程序使用情況的動態建模與統計推斷（圖5A, B），研究人員量化了每種藥物對特定基因程序狀態切換速率和穩態偏好的影響（圖5C, D, E）。有趣的是，與預期相反，這些表觀遺傳藥物并未普遍降低克隆異質性，而是以程序特異性的方式改變了狀態的持久性。例如，在K562細胞中，所有三種藥物都促使細胞向紅系分化狀態（程序3）偏移，并增加了該分化狀態的持久性（圖5C）。這些變化與單個基因的平均表達變化并不完全一致（圖5F），揭示了藥物作用更復雜的動力學層面。

圖5：DNMT或HDAC抑制劑處理后克隆記憶的改變。 （A）藥物治療對表觀遺傳記憶可能影響的示意圖。在未經處理的對照中，細胞占據每個觀察到的程序的高和低基因表達狀態。表觀遺傳修飾酶抑制劑可能會改變狀態的相對穩定性（上圖情景），也可能降低持久性（較淺的能阱，下圖情景）。通過對生長中的克隆進行inC-RNA-seq，可以推斷出狀態轉換速率（箭頭）。（B）通過將細胞狀態轉換的隨機模型擬合到觀察到的隨時間變化的NMF程序使用情況，從克隆inC-RNA-seq數據推斷轉換速率的方案圖。該模型用于推斷每種處理條件下每個程序的程序誘導速率（r01）和丟失速率（r10）（見補充文本1）。（C）以一個程序（程序3）為例的擬合轉換速率，所有藥物都增加了“高”狀態的持久性，同時使“低”狀態不穩定。（D）從擬合的動態轉換速率得出的K562基因表達程序持久性時間的變化，顯示一些程序的克隆記憶減少（藍色），但其他程序則未減少（紅色）。（E）相應的穩態偏好（即活躍狀態細胞比例）變化，顯示出與程序持久性不同的變化。（F）持久性的變化與單個基因平均表達的變化不同，以K562細胞中的一種藥物（Aza）為例顯示。

總之，CAGES技術的建立為高通量單細胞及單克隆基因組分析提供了一個多功能平臺。它不僅兼容復雜的多步驟分子生物學反應，更首次將大規模活細胞培養與功能性基因組讀數無縫連接。盡管當前技術在用于單細胞分析時存在空膠囊、反應條件需優化以及活細胞回收困難等局限性，但其在分析難處理樣本、研究細胞間相互作用（如發育或免疫互作）、大規模類器官或克隆形成實驗等方面前景廣闊。CAGES有望成為連接細胞表型與基因型的有力工具，助力構建數據驅動的細胞動力學預測模型，推動基礎生物學研究和精準醫療的發展。