如何利用单细胞转录组进行细胞图谱和疾病机制研究？

单细胞转录组测序是一项革命性的高通量测序技术，该技术的横空出世更是为医学研究增加了一大批“燃料”，其单细胞级别的分辨率在解析肿瘤微环境异质性、免疫治疗应答机制及药物耐药性演化等方面都展示出了不同以往的精度，为疾病诊断与治疗策略优化提供全新视角。

单细胞转录组技术的应用范围非常广泛，在生物医学研究领域，它可以帮助科学家更好地理解细胞的功能和疾病发生机制，下面我们通过几篇前沿的医学单细胞研究案例，了解下如何将单细胞组学技术从数据生成工具升级为贯穿基础研究至临床精准干预的全链条创新引擎。

一、细胞图谱研究

单细胞转录组测序可应用于人体各种细胞测序，获得单个细胞的转录组图谱，并基于基因表达将细胞分类，定义新的细胞类型。通过细胞图谱，我们可以探索人体各器官细胞的复杂基因网络，研究单个细胞的分子机制，并了解这些细胞中的差异。

1. 人类下丘脑全面空间细胞图谱

• 期刊：Nature

• 影响因子：50.5

• 发表时间：2025.2

• 样本类型：人类下丘脑

• DOI: 10.1038/s41586-024-08504-8

下丘脑作为调控基础生理功能的核心脑区，其结构与功能解析长期依赖于啮齿类模型。本研究整合人类下丘脑单细胞核转录组测序（snRNA-seq）与空间转录组学技术，构建了首个高分辨率时空转录图谱（HYPOMAP）。跨物种比较显示，人类与小鼠神经元亚型在转录组特征上呈现高度保守性，但关键调控网络存在显著差异。在定义的下丘脑细胞类型中，有多个神经元簇上显著富集了与体重指数（BMI）相关的基因。HYPOMAP通过解析细胞类型的空间分布模式与分子互作网络，为揭示代谢紊乱、生殖障碍及昼夜节律失调等疾病的分子病理机制提供了系统性框架，并为靶向治疗策略开发奠定细胞分子图谱基础。

图 人类下丘脑snRNA-seq参考图谱

2. 单细胞转录组图谱解析嗅觉神经母细胞瘤亚型和瘤内异质性

• 期刊：Nature Cancer

• 影响因子：23.55

• 发表时间：2024.11

• 样本类型：嗅觉神经母细胞瘤

• DOI: 10.1038/s43018-024-00855-5

嗅觉神经母细胞瘤（ONB）是源于嗅上皮的罕见恶性肿瘤，近年研究提示ONB可能起源于嗅黏膜基底细胞或嗅感觉神经元前体细胞，但其肿瘤微环境（TME）的细胞组成与功能互作网络尚未系统解析。本研究基于scRNA-seq技术，整合原发ONB与配对照嗅黏膜样本解析ONB恶性上皮细胞的转录异质性及发育轨迹，基于PHOX2B、ASCL1等关键驱动基因构建分子分型体系，并系统性绘TME中M2型TAMs、耗竭性CD8+ T细胞与CAFs的互作网络。初步数据显示，ONB特异性ID2+神经嵴样干细胞亚群通过WNT/β-catenin通路驱动侵袭，而TME中S100A8+髓系细胞经IL-1β/NF-κB信号加剧免疫抑制。该成果为ONB精准分型及靶向TME的联合治疗策略提供了单细胞分辨率理论框架。

图 ONB的肿瘤内异质性

3. 亚洲人免疫细胞多样性图谱

• 期刊：Cell

• 影响因子：45.6

• 发表时间：2025.03

• 样本类型：人体外周血免疫细胞

• DOI: 10.1016/j.cell.2025.02.017

亚洲免疫多样性图谱（AIDA）通过单细胞转录组学技术，对亚洲五国七个人群的健康个体外周血免疫细胞进行系统性分析，揭示了亚族群、年龄及性别对免疫细胞组成、基因表达及微环境调控的显著影响。研究发现亚洲不同亚族群间存在特异性免疫特征，包括T细胞亚群比例差异、HLA分子表达模式分化及炎症通路活性调控异质性。研究进一步鉴定出多个亚洲人群高频遗传变异位点，其中部分位点与自身免疫病及感染性疾病易感基因重叠，部分变异可显著影响免疫细胞功能。该成果构建了首个亚洲人群单细胞免疫参考图谱，为解析免疫相关疾病的种族特异性机制、开发精准诊断标志物及个体化治疗策略提供了分子基础，填补了全球免疫组学研究中亚洲数据的空白。

图 人类多样性与细胞亚型比例的关系

二、疾病机制研究

单细胞转录组学技术，在癌症、疾病和免疫治疗等领域取得了突破性进展。这些研究不仅揭示了疾病发生发展的新机制，还为开发新型治疗方法提供了重要依据。

1. 胃癌腹膜转移微环境中CAF-巨噬细胞互作介导免疫治疗应答

• 期刊：Gut    

• 影响因子：23.1     

• 发表时间：2024.11

• 样本类型：胃癌患者多组织          

• DOI: 10.1136/gutjnl-2024-333617

胃癌腹膜转移（GCPM）的肿瘤微环境（TME）呈现出独特的免疫抑制特征，区别于以SPP1+肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）及THBS2+间质型癌相关成纤维细胞（mCAFs）为主导的原发性胃癌。研究表明，GCPM中mCAFs-TAMs的互作网络是介导免疫检查点抑制剂（ICB）耐药的核心机制。单细胞转录组分析显示，C3AR1在SPP1+ TAMs中特异性高表达，且其配体C3在mCAFs中显著上调。并证实了靶向抑制C3-C3AR1信号通路可有效破坏基质-髓系细胞互作。代谢组学分析揭示，C3-C3AR1轴通过调控花生四烯酸代谢通路维持免疫抑制微环境。本研究通过单细胞多组学技术解析了GCPM耐药相关的细胞互作网络，首次将补体信号通路与ICB应答关联，为开发“基质重编程-免疫激活”联合治疗策略提供了分子靶点。 

图 GCPM的单细胞转录图谱

2. 单细胞测序揭示乳腺癌患者CDK4/6i晚期耐药预测标志物

• 期刊：Molecular Cancer    

• 影响因子：27.7     

• 发表时间：2025.2

• 样本类型：转移性乳腺癌患者肿瘤组织      

• DOI: 10.1186/s12943-025-02226-9

CDK4/6抑制剂联合内分泌治疗是HR+/HER2-转移性乳腺癌的标准疗法，但部分患者存在原发或继发耐药的情况。本研究通过单细胞转录组测序系统解析治疗前后肿瘤微环境（TME）的动态变化，发现基线肿瘤细胞中高表达基因可作为晚期耐药预测标志物，其机制与细胞周期调控及氧化应激通路相关。进展期肿瘤呈现PI3K/AKT/mTOR通路激活及免疫微环境重塑。且基于多组学数据构建的预测模型已进入临床转化阶段，为CDK4/6抑制剂联合PI3K抑制剂、免疫治疗等序贯方案提供理论依据，推动了精准治疗策略向个体化组学指导的范式转变。

图HR+/HER2-mBC患者TME的转录组特征

3. CDH11抑制经支链氨基酸代谢激活cGAS-STING通路抑制腺样囊性癌肺转移

• 期刊：Advanced Science

• 影响因子：14.3

• 发表时间：2025.02

• 样本类型：人唾液腺样囊性癌肿瘤组织

• DOI: 10.1002/advs.202408751

唾液腺样囊性癌SACC）是一种高转移性分泌腺恶性肿瘤，肺转移是其临床治疗的主要挑战。本研究整合单细胞转录组测序与空间转录组学，揭示SACC肿瘤微环境中存在混合上皮-间质转化（EMT）亚群与肿瘤增殖指数及肺转移活性显著正相关。混合EMT细胞特异性高表达CDH11，其通过抑制BCKDH干扰支链氨基代谢，激活mTORC1信号通路，进而驱动肿瘤侵袭。靶向干预实验表明，CDH11抑制剂塞来昔布及其衍生物可逆转BCAA代谢异常，通过增加线粒体活性氧激活cGAS-STING通路，并在NOD-SCID小鼠模型中抑制肺转移灶形成。单细胞调控网络分析进一步显示，塞来昔布处理后肿瘤微环境中CD8+ T细胞浸润比例显著增。本研究首次阐明CDH11通过代谢-免疫双重调控轴促进SACC肺转移的分子机制，确立了靶向混合EMT细胞的治疗策略，并为塞来昔布的临床转化提供了实验依据。

图 SACC中免疫细胞的浸润相对减少

单细胞组学发展至今，凭借其优秀的分辨率和精准度已经成功助力多项疾病实现了从机制解析到精准干预的跨越式突破。无论是探索疾病机制，还是开发临床诊断Panel，单细胞技术都将为您突破研究瓶颈。

了解了这么多，手握样本的您，是不是还苦于没有靠谱的合作伙伴呢？

DNBelab C4单细胞平台    

凌恩  基于华  大DNBelab C4单细胞平台搭建完善的单细胞项目流程，一站式满足样本制备到结果解读全流程，已经积累了丰富的单细胞（核）转录组项目经验！性比价高、成本低，适合大样本量研究，想要get同款研究的老师，抓紧联xi！

参考文献

[1] Yang J, Song X, Zhang H, Liu Q, Wei R, Guo L, Yuan C, Chen F, Xue K, Lai Y, Wang L, Shi J, Zhou C, Wang J, Yu Y, Mei Q, Hu L, Wang H, Zhang C, Zhang Q, Li H, Gu Y, Zhao W, Yu H, Wang J, Liu Z, Li H, Zheng S, Liu J, Yang L, Li W, Xu R, Chen J, Zhou Y, Cheng X, Yu Y, Wang D, Sun X, Yu H. Single-cell transcriptomic landscape deciphers olfactory neuroblastoma subtypes and intra-tumoral heterogeneity. Nat Cancer. 2024 Dec;5(12):1919-1939.

[2] Li RF, Liu S, Gao Q, Fu M, Sun XY, Xiao M, Ge XY, Peng X. Inhibition of CDH11 Activates cGAS-STING by Stimulating Branched Chain Amino Acid Catabolism and Mitigates Lung Metastasis of Adenoid Cystic Carcinoma. Adv Sci (Weinh). 2025 Feb;12(8):e2408751.

[3] Kock KH, Tan LM, Han KY, Ando Y, Jevapatarakul D, Chatterjee A, Lin QXX, Buyamin EV, Sonthalia R, Rajagopalan D, Tomofuji Y, Sankaran S, Park MS, Abe M, Chantaraamporn J, Furukawa S, Ghosh S, Inoue G, Kojima M, Kouno T, Lim J, Myouzen K, Nguantad S, Oh JM, Rayan NA, Sarkar S, Suzuki A, Thungsatianpun N, Venkatesh PN, Moody J, Nakano M, Chen Z, Tian C, Zhang Y, Tong Y, Tan CTY, Tizazu AM, Loh M, Hwang YY, Ho RC, Larbi A, Ng TP, Won HH, Wright FA, Villani AC, Park JE, Choi M, Liu B, Maitra A, Pithukpakorn M, Suktitipat B, Ishigaki K, Okada Y, Yamamoto K, Carninci P, Chambers JC, Hon CC, Matangkasombut P, Charoensawan V, Majumder PP, Shin JW, Park WY, Prabhakar S. Asian diversity in human immune cells. Cell. 2025 Mar 19:S0092-8674(25)00202-8.

[4] Li Y, Zheng Y, Huang J, Nie RC, Wu QN, Zuo Z, Yuan S, Yu K, Liang CC, Pan YQ, Zhao BW, Xu Y, Zhang Q, Zheng Y, Chen J, Zeng ZL, Wei W, Liu ZX, Xu RH, Luo HY. CAF-macrophage crosstalk in tumour microenvironments governs the response to immune checkpoint blockade in gastric cancer peritoneal metastases. Gut. 2025 Feb 6;74(3):350-363.

[5] Luo L, Yang P, Mastoraki S, Rao X, Wang Y, Kettner NM, Raghavendra AS, Tripathy D, Damodaran S, Hunt KK, Wang J, Li Z, Keyomarsi K. Single-cell RNA sequencing identifies molecular biomarkers predicting late progression to CDK4/6 inhibition in patients with HR+/HER2- metastatic breast cancer. Mol Cancer. 2025 Feb 15;24(1):48.

[6] Tadross JA, Steuernagel L, Dowsett GKC, Kentistou KA, Lundh S, Porniece M, Klemm P, Rainbow K, Hvid H, Kania K, Polex-Wolf J, Knudsen LB, Pyke C, Perry JRB, Lam BYH, Brüning JC, Yeo GSH. A comprehensive spatio-cellular map of the human hypothalamus. Nature. 2025 Mar;639(8055):708-716. doi: 10.1038/s41586-024-08504-8. Epub 2025 Feb 5. Erratum in: Nature. 2025 Mar;639(8054):E17.