3分钟，带你摸透单细胞测序技术

单细胞转录组测序技术，是单细胞测序领域从“群体平均”到“单细胞精准”、从“技术局限”到“全场景适配”发展历程中的创新成果。其发展脉络紧密依托全球单细胞转录组测序技术的演进背景，同时围绕现有技术痛点形成针对性突破，可划分为技术奠基期、痛点凸显期、核心突破期、完善验证期及全球化布局期五个核心阶段。

这一阶段的核心目标是突破传统群体测序的局限，实现单细胞水平转录组分析的可行性，并逐步探索高通量技术路径。2009年，Tang等人首次完成小鼠囊胚单细胞RNA测序，标志着单细胞转录组测序（scRNA-seq）技术正式诞生。此后，研究人员围绕“单细胞分离”与“低起始量RNA扩增”两大核心问题持续探索，相继开发出Smart-seq等早期技术，通过模板转换引物（TSO）提升反转录效率，初步实现了全长转录本的捕获。

2015年，Drop-seq与inDrop等基于微流控“油包水”液滴系统的技术问世，首次将单细胞分选与编码过程集成于微米级液滴中，实现了数千个细胞的并行分析，标志着高通量单细胞测序技术的雏形确立。这一时期的技术积累为后续商业化平台的出现奠定了基础，同时也明确了单细胞测序的核心技术框架——“单细胞物理隔离+条形码标记+RNA反转录扩增+高通量测序”，为后续本专利技术的创新提供了底层逻辑支撑。

2016年，10X Genomics推出基于液滴微流控平台的单细胞转录组测序技术，凭借其高吞吐量、低单个细胞成本的优势，迅速成为市场主流技术。该技术通过带有条形码和UMI的凝胶珠与单细胞共封装于油滴中，实现了大规模细胞的基因表达谱分析，推动单细胞测序在基础医学、发育生物学等领域的广泛应用。

然而，以10X Genomics为代表的主流技术逐渐暴露出三大核心痛点，成为制约其进一步发展的瓶颈：一是RNA捕获局限，依赖Poly(dT)引物仅能捕获带polyA尾的mRNA 3’端片段，无法检测miRNA、lncRNA等非编码RNA及损伤mRNA片段，检测灵敏度不足10%；二是样本适配性差，对细胞活性要求极高（需>80%），无法适配临床常见的固定样本、冰冻样本及石蜡包埋（FFPE）样本；三是物种覆盖缺失，由于细菌等原核生物RNA无polyA尾，现有技术无法应用于原核生物单细胞测序。这些痛点使得大量临床宝贵样本（如FFPE样本库）和特殊物种研究无法开展，催生了技术创新的迫切需求。

随着临床与科研需求不断提升，现有技术的三大痛点愈发凸显，推动全球范围内的技术创新进入爆发期。这一阶段的核心突破主要集中在三个方向：

1、全转录本捕获技术突破

为解决传统 Poly (dT) 引物只能检测带 polyA 尾 mRNA 的局限，研究人员开发了多种不依赖 polyA 的建库策略，如随机引物反转录、RNA 加尾法（polyA-independent）、模板转换优化等。这些技术首次实现了对 lncRNA、circRNA、miRNA 及降解 RNA 片段的有效捕获，将检测范围从 “编码 mRNA” 扩展到 “全转录组”，显著提升了低质量或降解样本的检测灵敏度。

2、降解样本与 FFPE 样本适配技术成熟

针对临床大量存在的 FFPE 样本，技术开发者通过改进 RNA 提取、片段修复、末端加 A 及耐受降解的扩增策略，使单细胞转录组测序首次成功应用于 FFPE 样本。这些技术突破了 “必须使用新鲜或冻存单细胞悬液” 的限制，使单细胞测序真正进入临床病理样本库，为肿瘤异质性、免疫微环境研究提供了全新可能。

3、原核生物单细胞转录组技术诞生

为解决细菌等原核生物无 polyA 尾、RNA 易降解、细胞难分离等问题，研究人员开发了原核生物专用的单细胞捕获与扩增方法，如靶向 rRNA 去除、特殊裂解缓冲液、线性扩增优化等，首次实现了细菌单细胞转录组的高通量分析，推动微生物组研究从“群体测序”迈向“单细胞解析”。

这一时期的技术突破，使单细胞转录组测序从“科研工具”逐步走向“临床可用、多场景适配”的成熟技术。

在核心技术突破之后，行业进入性能优化与临床验证的关键阶段。主要进展包括：

1、灵敏度与通量持续提升

新型建库方法通过优化反转录效率、降低扩增偏倚、引入UMI改进算法等方式，使基因检测灵敏度从10%左右提升至20%-30%，部分技术甚至可达到更高水平。同时，微流控平台进一步升级，实现单次百万级细胞的捕获能力，为大规模细胞图谱项目提供支撑。

2、多组学与空间技术深度融合

单细胞转录组技术开始与蛋白质组、表观组、代谢组及空间转录组技术联合，形成“单细胞多组学”与“空间单细胞”的全新技术体系。例如，CITE-seq、REAP-seq 等技术实现了“转录组 + 蛋白质”同时检测；空间转录组与单细胞测序的整合，使研究人员能够在组织原位解析细胞异质性与空间结构。

3、临床验证与标准化体系逐步建立

随着FFPE样本单细胞测序技术成熟，多项临床研究开始验证其在肿瘤分型、免疫治疗疗效预测、微小残留病灶检测等方向的应用价值。同时，行业组织与科研机构推动数据质控标准、实验流程规范和分析流程标准化，为技术进入临床诊断领域奠定基础。

在技术成熟与临床需求驱动下，单细胞转录组测序进入全球化竞争与产业布局的新阶段。

1、国际巨头持续垄断与技术封锁

10X Genomics 等国际龙头企业凭借先发优势，仍占据全球主要市场份额，并通过专利、芯片供应、软件生态等方式构建壁垒。同时，其技术不断迭代，向更高通量、更高灵敏度、多组学整合方向发展。

2、国产技术迅速崛起

中国企业在微流控芯片、建库试剂、测序仪及分析软件等环节全面突破，推出多款具有自主知识产权的单细胞测序平台。这些平台在通量、成本、兼容性等方面逐步接近甚至超越国际水平，尤其在 FFPE 样本、原核生物、低起始量样本等方向形成差异化优势。

3、技术路线多元化与应用场景全面拓展

全球范围内出现了多种创新技术路线，包括基于微孔、微流控、液滴、芯片等不同策略的单细胞捕获系统，以及针对特殊样本（如循环肿瘤细胞、神经元、胚胎细胞）的专用技术。应用场景从基础科研扩展到肿瘤、免疫、神经、发育、微生物、临床病理等多个领域。

4、产业生态逐步完善

单细胞测序产业链从上游的微流控芯片、建库试剂，到中游的测序服务，再到下游的数据分析、临床应用，均已形成完整生态。同时，单细胞多组学、空间组学、AI辅助细胞分型等新兴方向正在成为新的增长点。

核心技术路线对比：