专访｜万乘基因施威扬：单细胞测序能推动精准医疗2.0时代
2021-08-06 21:54:34 作者：佚名
细胞，是生命的基本单位。在人类基因组计划完成后，人类初步掌握了遗传的“密码本”，但时至今日，我们尚未能一窥自己的细胞图谱。
对细胞的观测要进入更高的精度并获取更多的组学数据，就需要一系列的“利器”，近年来崭露头角的单细胞测序仪便是其中的重要工具。不过，目前单细胞测序仪95%的市场份额由美国的10X Genomics垄断。
近日，专注高通量单细胞测序解决方案的创新公司万乘基因发布了10K Genomics单细胞测序仪PerseusTM，配套的高通量单细胞转录组芯片及试剂、高通量单细胞表观组学芯片及试剂也同步上市。万乘基因成立于2018年2月，在2019和2020年先后获得合力投资和北极光创投的天使轮及Pre-A轮融资。总部位于上海漕河泾开发区，在北京设有销售办公室。
值得注意的是，万乘基因的PerseusTM是国内第一款液滴微流控单细胞测序仪，上市之后将填补高通量单细胞测序平台的空缺，或改变国内高通量单细胞测序市场被海外巨头垄断的竞争格局。
单细胞测序与传统测序有何不同？在接受澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者专访时，万乘基因创始人、首席科学家施威扬解释道，传统的测序是基于大量细胞样品，其提供的是平均化了的数据。而单细胞测序则可以获取关于样品中每一个细胞的各种组学数据，明确样本中包含的细胞类型，并记录别个细胞所发生的特定变化。
“人类的疾病，大部分并不是基因组发生了改变，而是细胞发生了变化。单细胞技术能够对每一个细胞进行精准测量，从而实现对疾病的个性化诊断和治疗。如果说基因测序是精准医疗的1.0时代，那么，单细胞测序是精准医疗的2.0时代。” 施威扬解释说，“通俗地说，基因测序看到的是‘一团’细胞，而单细胞测序能够看到一个个细胞。因此，单细胞技术对于生物医学的革命性意义可以和显微镜的发明相比较，因为二者都可使研究者真正看到单个细胞的细微差异。”
施威扬是在万乘基因位于上海聚科生物园区内的办公地接受澎湃新闻记者专访的。与办公室同一楼层的，还有公司的实验室，总共4百来平方米，30多名员工，里面还摆放着万乘基因新近试生产的单细胞测序仪。
施威扬自豪地展示着仪器，并展望未来，希望通过国产化降低单细胞测序技术的门槛，让更多医院、实验室能够使用，同时通过提供更多的分析工具，从而推动单细胞图谱的研究和精准治疗的发展。
施威扬毕业于清华大学和美国圣路易斯华盛顿大学，之后在美国加州大学伯克利分校、同济大学生命学院、中国海洋大学海洋生命学院从事研究。
所谓的单细胞测序，是指获取单个细胞遗传信息的测序技术，具体包括单个细胞层面的DNA序列、DNA表观遗传修饰、RNA表达量、染色体结构、DNA-蛋白相互作用等，它弥补了传统测序方法下，单个细胞的基因表达调控、生命活动轨迹等特异信息被平均化的不足。
单细胞测序的诞生，被视为与显微镜的发明相媲美的生命科学重大事件。2009年，英国剑桥大学研究团队在《Nature Methods》杂志发表研究成果，首次实现了单细胞转录组的检测方法，标志着单细胞转录组研究正式拉开了序幕。
发展至今，单细胞测序技术越来越广泛地被应用于肿瘤微环境、免疫治疗、动物胚胎发育、心血管疾病发生发展等众多生物医学相关领域，为新型生物药筛选和开发提供了新的更快捷的技术平台。
“要精准医疗，就必须能够看到细胞层面的差别。个体差别其实并不是只反映在基因组DNA上。大多数时候，个体疾病的差别实际上是反映在病变器官上的细胞层面。”施威扬说，“有一句话就像托尔斯泰说的，幸福的家庭都是一样的，而不幸的家庭各有各的不幸。实际上疾病也是这样。哪怕是同一种疾病，不同的人其肿瘤细胞是不同的。”
施威扬表示，“单细胞测序技术实际上相当于给我们每一个人一个更精准的‘显微镜’，它能把每个人的差异区分开，这样每个人就能对症下药。所以说单细胞测序的应用可能是未来所有的医疗、临床所需要的。”
目前，对单细胞测序的应用，主要还是以临床研究居多。“我们已经知道这个病有巨大的复杂性，所以用这个工具可以把它复杂性揭示出来，比如肿瘤单细胞测序做的人是非常多的，实际上就可以用来获得各种各样的分型，可以看到更精细的分型，跟治疗之间产生更大的相关性。”当然，肿瘤研究当下本来就是临床医学研究最大的一个范畴。
施威扬说，另一种研究则跟肿瘤的一些治疗方案有关。免疫治疗、靶向治疗等更为先进的疗法，目前很大的一个问题就是每个人的响应不一样，其实也就是个性化治疗的问题。“有的人对这个药物有反应，有的人就没反应，所以个性化治疗其实就想去找出这些有反应的人，精确地对症下药，那么单细胞在这个方面有一些很好的作用。”
而在肿瘤之外，更广泛的意义在于，每一种疾病都可通过细胞层面的研究获益。“尤其是复杂疾病，用单细胞做是最有前景的，比如自身免疫性疾病，神经退行性疾病等。”施威扬表示。
事实上，人类细胞图谱（Human Cell Atlas）也正是生命科学领域近年来兴起的国际大科学计划。浙江大学医学院干细胞与再生医学中心教授、博士生导师郭国骥在接受澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者采访时曾表示，“长远来说，人类细胞图谱计划旨在描述人体中每个细胞（约37万亿个）的详细特征，呈现不同类型细胞在人体组织的3D结构，勾勒所有人体系统的相互联系，揭示图谱变化与健康和疾病的关系。人类细胞图谱计划将彻底改善人们对疾病的理解、诊断和治疗。”
用国产化降低使用门槛
想要从单个细胞层面获得更好的答案，测序工具首先要进行变革。自Fluidigm C1™单细胞全自动制备系统面市以来，10X Genomics、BD公司、Illumina公司等相继推出了商业化的单细胞测序平台。其中，10X Genomics在2016年推出高通量单细胞测序平台Chromium Controller，并迅速占领市场。
不过，10X Genomics存在价格昂贵、使用不便等问题，这也是目前单细胞测序在中国尚未大规模应用的瓶颈。施威扬说，即使是在美国市场，10X Genomics也要7万美元一台，在中国还要更贵。“卖得这么贵，其实最主要就是它的垄断，只此一家没有选择。”
另外，试剂价格也是问题。施威扬说，一个试剂价格要1万元，那么不管是科研还是临床用户，都不太敢贸然去做。他认为，只有价格进一步降低，研究人员才不会有这么多顾虑，敢于放心大胆去做。
需求受到了价格的压制，市场的潜力并没有得到充分的释放。于是，万乘基因推出的PerseusTM，直接对标10X Genomics的Chromium Controller。施威扬表示，由于在核心部件实现了全面国产化，PerseusTM测序仪及测序试剂的定价相对进口平台也更为低廉。值得一提的是，为降低实验入门门槛，也将同时也推出了一次检测100-1000个细胞的预实验套装。
施威扬透露，万乘基因在核心技术上相比美国同行有优势，做到“人无我有，人有我优”。
在设计理念上，PerseusTM兼顾高通量、高捕获率和应用灵活性，采用相比进口单细胞测序平台更具市场竞争力的定价策略，并且紧跟前沿的技术需求，持续迭代配套的高通量单细胞多组学试剂。
该测序仪可放置4块独立运行的单通道芯片，用户可以根据样本数量，选择适当的芯片数目。每张芯片可一次性完成100到20000个细胞的单细胞文库构建，细胞捕获率高达50-60%。
在应用层面，相对于市场上现有高通量单细胞测序平台，施威扬认为万乘基因的优势更为突出，通过试剂体系的创新，可极大地降低了用户样本制备、保存和运输的难度。
创业之路：最初只是想省钱
施威扬总结，之所以创业，并在单细胞测序上走这么远，其实也是长期探索的结果。
施威扬1993年夏天在意大利夺得了第25届国际奥林匹克化学竞赛金牌，并保送进入清华大学生物系。当时，他选择的专业是发育生物学，“因为发育生物学在1990年代正蓬勃发展，大家觉得生命很奇妙：怎么从一个胚胎变成了一个千奇百怪的东西。而1995年的时候正好诺贝尔奖花落发育生物学，也激励了很多人。”
本科毕业后，他来到美国求学。2003年在美国华盛顿大学获得发育生物学博士学位后，施威扬在加州大学伯克利分校从事博士后研究，主要用高通量测序技术研究早期胚胎发育的分子调控机制跟非编码RNA的生物学功能。
21世纪，生命科学突飞猛进，2006年出现的高通量技术便是其中的代表。施威扬回忆，他当时在实验室里就很喜欢用高通量技术，并将它纳入研究体系中，做出了很多意想不到的发现，尤其是基因组转录研究，“我一直对新技术的敏感性和时效性有感觉。”
2012年，施威扬回国在同济大学做PI，此时学术界开始讨论单细胞测序技术， “发育生物学家，梦想一直就是要研究胚胎里每一个细胞，它的基因表达功能等等，但是以前就没有技术让你能够研究单个细胞，所以只能用传统的方法研究。”
在使用单细胞测序过程中，施威扬渐渐意识到，真正的挑战其实在于：难操作、门槛高、能耗高，又很贵。
“所以我们刚开始纯粹就是想便宜省钱，所以不找外面的做，也不买人家现成的东西，就是自己来开发一些试剂等，自己来做一套单细胞的研究体系”，施威扬笑着说，“后来做了以后，很多人就来合作，因为能够很便宜很快地大量去做，所以就有了越来越多的合作。”
于是，在公司的早期阶段，很多其他实验室和医院开始把样本寄给他们，让施威扬的团队来处理。
据介绍，截至目前，万乘基因已经相继为清华大学、北京大学、中科院、复旦大学、上海交通大学、同济大学、农科院、厦门大学等高校与科研机构，北京大学肿瘤医院、上海交通大学附属瑞金医院、复旦大学附属中山医院、复旦大学附属华山医院等医疗机构提供高通量单细胞测序服务，合作在国内外顶级期刊上发表了大量出色的前沿研究成果，研究范围涉及细胞衰老、跨物种单细胞数据分析、循环肿瘤细胞特征等，为开展进一步的疾病和药物研究提供了重要线索。
但人手是有限的，通过提供服务，是无法帮到所有有需求的人。于是，授人以鱼不如授人以渔。在证明自己的整套解决方案可行之后，施威扬团队便结合单细胞测序领域近8年的研究成果，顺势推出单细胞测序仪和相应的解决方案。
施威扬坦言，目前遇到的挑战还是“科学家创业”。“实验室里做成的东西，就是你做科研可以用的东西，但是你能不能把它稳定化地扩展开来，scale up的这样一个过程，因为新技术实际上会有三个发展阶段，第一个是我自己要做成实验，第二个是别人把样品给我，我能够做成实验，第三个是我能够把我的试剂或者仪器做成一套东西，我能交给他，让他来做这个事情，他能够做成实验，这是一项产品的新技术的最终完成。”(本文来自澎湃新闻，更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)
对细胞的观测要进入更高的精度并获取更多的组学数据，就需要一系列的“利器”，近年来崭露头角的单细胞测序仪便是其中的重要工具。不过，目前单细胞测序仪95%的市场份额由美国的10X Genomics垄断。
近日，专注高通量单细胞测序解决方案的创新公司万乘基因发布了10K Genomics单细胞测序仪PerseusTM，配套的高通量单细胞转录组芯片及试剂、高通量单细胞表观组学芯片及试剂也同步上市。万乘基因成立于2018年2月，在2019和2020年先后获得合力投资和北极光创投的天使轮及Pre-A轮融资。总部位于上海漕河泾开发区，在北京设有销售办公室。
值得注意的是，万乘基因的PerseusTM是国内第一款液滴微流控单细胞测序仪，上市之后将填补高通量单细胞测序平台的空缺，或改变国内高通量单细胞测序市场被海外巨头垄断的竞争格局。
单细胞测序与传统测序有何不同？在接受澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者专访时，万乘基因创始人、首席科学家施威扬解释道，传统的测序是基于大量细胞样品，其提供的是平均化了的数据。而单细胞测序则可以获取关于样品中每一个细胞的各种组学数据，明确样本中包含的细胞类型，并记录别个细胞所发生的特定变化。
“人类的疾病，大部分并不是基因组发生了改变，而是细胞发生了变化。单细胞技术能够对每一个细胞进行精准测量，从而实现对疾病的个性化诊断和治疗。如果说基因测序是精准医疗的1.0时代，那么，单细胞测序是精准医疗的2.0时代。” 施威扬解释说，“通俗地说，基因测序看到的是‘一团’细胞，而单细胞测序能够看到一个个细胞。因此，单细胞技术对于生物医学的革命性意义可以和显微镜的发明相比较，因为二者都可使研究者真正看到单个细胞的细微差异。”
施威扬是在万乘基因位于上海聚科生物园区内的办公地接受澎湃新闻记者专访的。与办公室同一楼层的，还有公司的实验室，总共4百来平方米，30多名员工，里面还摆放着万乘基因新近试生产的单细胞测序仪。
施威扬自豪地展示着仪器，并展望未来，希望通过国产化降低单细胞测序技术的门槛，让更多医院、实验室能够使用，同时通过提供更多的分析工具，从而推动单细胞图谱的研究和精准治疗的发展。
施威扬毕业于清华大学和美国圣路易斯华盛顿大学，之后在美国加州大学伯克利分校、同济大学生命学院、中国海洋大学海洋生命学院从事研究。
万乘基因创始人、首席科学家施威扬。
给每一个人一个更精准的“显微镜”所谓的单细胞测序，是指获取单个细胞遗传信息的测序技术，具体包括单个细胞层面的DNA序列、DNA表观遗传修饰、RNA表达量、染色体结构、DNA-蛋白相互作用等，它弥补了传统测序方法下，单个细胞的基因表达调控、生命活动轨迹等特异信息被平均化的不足。
单细胞测序的诞生，被视为与显微镜的发明相媲美的生命科学重大事件。2009年，英国剑桥大学研究团队在《Nature Methods》杂志发表研究成果，首次实现了单细胞转录组的检测方法，标志着单细胞转录组研究正式拉开了序幕。
发展至今，单细胞测序技术越来越广泛地被应用于肿瘤微环境、免疫治疗、动物胚胎发育、心血管疾病发生发展等众多生物医学相关领域，为新型生物药筛选和开发提供了新的更快捷的技术平台。
“要精准医疗，就必须能够看到细胞层面的差别。个体差别其实并不是只反映在基因组DNA上。大多数时候，个体疾病的差别实际上是反映在病变器官上的细胞层面。”施威扬说，“有一句话就像托尔斯泰说的，幸福的家庭都是一样的，而不幸的家庭各有各的不幸。实际上疾病也是这样。哪怕是同一种疾病，不同的人其肿瘤细胞是不同的。”
施威扬表示，“单细胞测序技术实际上相当于给我们每一个人一个更精准的‘显微镜’，它能把每个人的差异区分开，这样每个人就能对症下药。所以说单细胞测序的应用可能是未来所有的医疗、临床所需要的。”
目前，对单细胞测序的应用，主要还是以临床研究居多。“我们已经知道这个病有巨大的复杂性，所以用这个工具可以把它复杂性揭示出来，比如肿瘤单细胞测序做的人是非常多的，实际上就可以用来获得各种各样的分型，可以看到更精细的分型，跟治疗之间产生更大的相关性。”当然，肿瘤研究当下本来就是临床医学研究最大的一个范畴。
施威扬说，另一种研究则跟肿瘤的一些治疗方案有关。免疫治疗、靶向治疗等更为先进的疗法，目前很大的一个问题就是每个人的响应不一样，其实也就是个性化治疗的问题。“有的人对这个药物有反应，有的人就没反应，所以个性化治疗其实就想去找出这些有反应的人，精确地对症下药，那么单细胞在这个方面有一些很好的作用。”
而在肿瘤之外，更广泛的意义在于，每一种疾病都可通过细胞层面的研究获益。“尤其是复杂疾病，用单细胞做是最有前景的，比如自身免疫性疾病，神经退行性疾病等。”施威扬表示。
事实上，人类细胞图谱（Human Cell Atlas）也正是生命科学领域近年来兴起的国际大科学计划。浙江大学医学院干细胞与再生医学中心教授、博士生导师郭国骥在接受澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者采访时曾表示，“长远来说，人类细胞图谱计划旨在描述人体中每个细胞（约37万亿个）的详细特征，呈现不同类型细胞在人体组织的3D结构，勾勒所有人体系统的相互联系，揭示图谱变化与健康和疾病的关系。人类细胞图谱计划将彻底改善人们对疾病的理解、诊断和治疗。”
用国产化降低使用门槛
想要从单个细胞层面获得更好的答案，测序工具首先要进行变革。自Fluidigm C1™单细胞全自动制备系统面市以来，10X Genomics、BD公司、Illumina公司等相继推出了商业化的单细胞测序平台。其中，10X Genomics在2016年推出高通量单细胞测序平台Chromium Controller，并迅速占领市场。
不过，10X Genomics存在价格昂贵、使用不便等问题，这也是目前单细胞测序在中国尚未大规模应用的瓶颈。施威扬说，即使是在美国市场，10X Genomics也要7万美元一台，在中国还要更贵。“卖得这么贵，其实最主要就是它的垄断，只此一家没有选择。”
另外，试剂价格也是问题。施威扬说，一个试剂价格要1万元，那么不管是科研还是临床用户，都不太敢贸然去做。他认为，只有价格进一步降低，研究人员才不会有这么多顾虑，敢于放心大胆去做。
需求受到了价格的压制，市场的潜力并没有得到充分的释放。于是，万乘基因推出的PerseusTM，直接对标10X Genomics的Chromium Controller。施威扬表示，由于在核心部件实现了全面国产化，PerseusTM测序仪及测序试剂的定价相对进口平台也更为低廉。值得一提的是，为降低实验入门门槛，也将同时也推出了一次检测100-1000个细胞的预实验套装。
施威扬透露，万乘基因在核心技术上相比美国同行有优势，做到“人无我有，人有我优”。
在设计理念上，PerseusTM兼顾高通量、高捕获率和应用灵活性，采用相比进口单细胞测序平台更具市场竞争力的定价策略，并且紧跟前沿的技术需求，持续迭代配套的高通量单细胞多组学试剂。
该测序仪可放置4块独立运行的单通道芯片，用户可以根据样本数量，选择适当的芯片数目。每张芯片可一次性完成100到20000个细胞的单细胞文库构建，细胞捕获率高达50-60%。
在应用层面，相对于市场上现有高通量单细胞测序平台，施威扬认为万乘基因的优势更为突出，通过试剂体系的创新，可极大地降低了用户样本制备、保存和运输的难度。
创业之路：最初只是想省钱
施威扬总结，之所以创业，并在单细胞测序上走这么远，其实也是长期探索的结果。
施威扬1993年夏天在意大利夺得了第25届国际奥林匹克化学竞赛金牌，并保送进入清华大学生物系。当时，他选择的专业是发育生物学，“因为发育生物学在1990年代正蓬勃发展，大家觉得生命很奇妙：怎么从一个胚胎变成了一个千奇百怪的东西。而1995年的时候正好诺贝尔奖花落发育生物学，也激励了很多人。”
本科毕业后，他来到美国求学。2003年在美国华盛顿大学获得发育生物学博士学位后，施威扬在加州大学伯克利分校从事博士后研究，主要用高通量测序技术研究早期胚胎发育的分子调控机制跟非编码RNA的生物学功能。
21世纪，生命科学突飞猛进，2006年出现的高通量技术便是其中的代表。施威扬回忆，他当时在实验室里就很喜欢用高通量技术，并将它纳入研究体系中，做出了很多意想不到的发现，尤其是基因组转录研究，“我一直对新技术的敏感性和时效性有感觉。”
2012年，施威扬回国在同济大学做PI，此时学术界开始讨论单细胞测序技术， “发育生物学家，梦想一直就是要研究胚胎里每一个细胞，它的基因表达功能等等，但是以前就没有技术让你能够研究单个细胞，所以只能用传统的方法研究。”
在使用单细胞测序过程中，施威扬渐渐意识到，真正的挑战其实在于：难操作、门槛高、能耗高，又很贵。
“所以我们刚开始纯粹就是想便宜省钱，所以不找外面的做，也不买人家现成的东西，就是自己来开发一些试剂等，自己来做一套单细胞的研究体系”，施威扬笑着说，“后来做了以后，很多人就来合作，因为能够很便宜很快地大量去做，所以就有了越来越多的合作。”
于是，在公司的早期阶段，很多其他实验室和医院开始把样本寄给他们，让施威扬的团队来处理。
据介绍，截至目前，万乘基因已经相继为清华大学、北京大学、中科院、复旦大学、上海交通大学、同济大学、农科院、厦门大学等高校与科研机构，北京大学肿瘤医院、上海交通大学附属瑞金医院、复旦大学附属中山医院、复旦大学附属华山医院等医疗机构提供高通量单细胞测序服务，合作在国内外顶级期刊上发表了大量出色的前沿研究成果，研究范围涉及细胞衰老、跨物种单细胞数据分析、循环肿瘤细胞特征等，为开展进一步的疾病和药物研究提供了重要线索。
但人手是有限的，通过提供服务，是无法帮到所有有需求的人。于是，授人以鱼不如授人以渔。在证明自己的整套解决方案可行之后，施威扬团队便结合单细胞测序领域近8年的研究成果，顺势推出单细胞测序仪和相应的解决方案。
施威扬坦言，目前遇到的挑战还是“科学家创业”。“实验室里做成的东西，就是你做科研可以用的东西，但是你能不能把它稳定化地扩展开来，scale up的这样一个过程，因为新技术实际上会有三个发展阶段，第一个是我自己要做成实验，第二个是别人把样品给我，我能够做成实验，第三个是我能够把我的试剂或者仪器做成一套东西，我能交给他，让他来做这个事情，他能够做成实验，这是一项产品的新技术的最终完成。”(本文来自澎湃新闻，更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)
