高通量单细胞转录组与基因突变整合分析一体化装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高通量单细胞转录组与基因突变整合分析一体化装置，包括高通量单细胞编码芯片和整合分析装置；所述整合分析装置包括壳体以及设置在所述壳体内的温控热循环模块、荧光成像模块和数据存储分析模块，所述荧光成像模块包括光源组件、显微物镜、荧光分光组件和成像探测器。本发明专利技术通过设计具有微孔空间坐标、细胞核酸标签和分子核酸标签的三重编码功能的高通量单细胞编码芯片，可将单细胞的基因突变、转录组和蛋白表达信息一一对应起来；再通过温控热循环模块可实现PCR扩增，通过荧光成像模块采集样品的荧光图像，通过数据存储分析模块对荧光图像进行存储于分析，能实现单细胞转录组与基因突变整合分析。

Integrated high throughput single cell transcriptome and gene mutation analysis device

【技术实现步骤摘要】
高通量单细胞转录组与基因突变整合分析一体化装置
本专利技术涉及生物检测领域，特别涉及一种高通量单细胞转录组与基因突变整合分析一体化装置。
技术介绍
肿瘤是严重影响人类健康的重大疾病之一，肿瘤细胞从基因型到表型上存在极大的差异(肿瘤的高度异质性)，而这种高度异质性与肿瘤的恶性程度、耐药性、复发转移等都密切相关，是造成肿瘤早期诊断困难、临床诊治复杂、耐药复发和预后差的根源之一。全面解析肿瘤异质性是实现肿瘤精准治疗的关键。高通量测序技术的发展为解析异质性肿瘤群体带来希望。目前各种组学水平的常规高通量测序成为肿瘤异质性群体研究的常用手段，用来发现新的遗传变异或异常通路，探索新的发病或耐药机制等。然而目前基于bulk(混合群体)的常规高通量测序技术无法克服肿瘤细胞高度异质性的难题，仅能通过大样本人群研究发现关键主克隆变异及通路改变，难以实现对单个患者异质性克隆群体的全面解析，成为实现肿瘤精准治疗的瓶颈。近年来新兴的单细胞测序技术为解析肿瘤异质性、鉴别不同功能亚群提供了可能。单细胞测序能够获得每个细胞的基因组变异图谱及转录组表达图谱，通过单个细胞的图谱精确划分克隆归属，实现对异质性克隆群体的全面解析。TimothyA.Graubert团队将一例已通过全基因组测序与靶向深度测序进行全面刻画的继发白血病样本进行了单细胞基因组分型测序，仅通过12个细胞DNA测序数据即发现了之前被认为是一个亚克隆的群体其实是由两个互斥的亚克隆构成，充分说明单细胞测序的优势和其在多克隆研究中的必要性。然而早期的单细胞测序技术往往通量低，成本高，一定程度上限制了精确分析并追踪异质性群体变化的分析。2016年10xGenomics公司推出的10xChromiumSingleCellGeneExpressionSolution平台实现了高通量的单细胞转录组测序，具有周期短、成本低、细胞捕获率高等优势，在发育生物学及肿瘤异质性群体研究中应用广泛，在转录组水平实现对异质性肿瘤群体的全面刻画。然而对于基因组变异驱动的恶性肿瘤群体，仅从转录组水平无法实现对肿瘤群体的鉴定以及功能异质性的解析。研究者开始着眼于基于单细胞水平的多组学研究平台，10x和BD公司分别实现单细胞转录组与单细胞染色质开放性(ATAC-seq)或单细胞蛋白质组的结合。然而，对于肿瘤异质性研究中最需要的单细胞转录组与基因组信息的整合平台，目前尚无成熟技术。对此，来自不同实验室的研究者进行了大量尝试，目前大部分技术仍然依赖同时将单个细胞中的转录组与基因组进行分离而分别测序，操作繁琐且通量较小。对转录组和基因组同时测序的技术又面临扩增效率低下或等位基因扩增偏好等难题，近期新提出的Target-seq技术针对肿瘤群体设计同时检测转录组及特异基因突变的技术，也说明了肿瘤研究中对该技术的需求，但该技术仍处于实验室水平，仍然无法实现一次上千细胞数的分析。另外，PeterVanGalen等人在Cell发表文献，通过单细胞转录本与三代测序技术相结合，首次实现对白血病患者肿瘤群体(以基因组变异为金标准)中转录组异质性的解析，发现肿瘤群体存在于表达谱不同的多种谱系中，明确了基因组异质性与转录组异质性相互独立又相互影响的关系，也表明在单细胞转录组水平进一步明确细胞的基因组变异的重要性。然而，该研究中使用的三代测序检测突变的技术具有很大局限性，突变检出率受到具体突变位点的限制，单个突变检出率最高仅23％，平均可以检测到突变的细胞不超过5％，作者最终采用随机森林的机器学习算法预测肿瘤群体，无法实现对肿瘤细胞群体的直接鉴定，也没有将基因组与转录组异质性很好的对应。且该技术操作繁琐，样本需求量高，花费大，不适于全面推广。因此，在肿瘤研究中实现单细胞水平基因组与转录组异质性的整合分析具有重要性与迫切性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高通量单细胞转录组与基因突变整合分析一体化装置。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种高通量单细胞转录组与基因突变整合分析一体化装置，包括高通量单细胞编码芯片和整合分析装置；所述高通量单细胞编码芯片具有用于捕获单细胞的微孔，每个所述微孔具有唯一的空间坐标编码，且所述微孔内修饰有若干条用于捕获目标RNA的核酸序列，所述核酸序列包括用于标示RNA源自的细胞的细胞标签和用于标示结合的RNA的分子标签，每个微孔的细胞标签与空间坐标编码一一对应；所述整合分析装置包括壳体以及设置在所述壳体内的温控热循环模块、荧光成像模块和数据存储分析模块，所述荧光成像模块包括光源组件、显微物镜、荧光分光组件和成像探测器；所述温控热循环组件上设置有用于安置所述高通量单细胞编码芯片的载物热台，所述温控热循环组件用于提供PCR扩增反应所需的温度环境；所述光源组件发出的激发光经所述荧光分光组件后，再经过所述显微物镜后到达所述温控热循环组件上的所述高通量单细胞编码芯片，其中的样品被激发产生的荧光原路返回经过所述显微物镜和荧光分光模块后，再进入所述成像探测器，进行荧光成像；所述数据存储分析模块用于存储所述成像探测器采集的荧光图像信息，并进行单细胞转录组与基因突变整合分析。优选的是，所述光源组件包括第一LED光源、第二LED光源、第三LED光源、第一二向色镜、第二二向色镜和扩束透镜组，所述第一LED光源发出的光依次透射所述第一二向色镜、第二二向色镜后到达所述扩束透镜组；所述第二LED光源发出的光经第一二向色镜反射、第二二向色镜透射后到达所述扩束透镜组；所述第三LED光源发出的光经第二二向色镜反射后到达所述扩束透镜组；所述第一LED光源、第二LED光源、第三LED光源发出三种不同波长的光，且三种光的波长范围覆盖400nm-700nm。优选的是，所述荧光分光组件包括支架、可转动设置在所述支架上的旋转台、用于驱动所述旋转台转动的电机以及均匀间隔设置在所述旋转台上的若干个荧光分光模块，所述荧光分光模块包括激发光滤光片、样品光滤光片和第四二向色镜；所述旋转台用于将若干个所述荧光分光模块中的一个切换进入光路，所述扩束透镜组出射的激发光经过所述激发光滤光片后被所述第四二向色镜反射，然后经过所述显微物镜到达安置在所述载物热台上的高通量单细胞编码芯片上；所述高通量单细胞编码芯片中的样品产生的荧光经过所述显微物镜后透射所述第四二向色镜，再经过所述样品光滤光片后到达所述成像探测器，所述成像探测器采集的荧光图像信息传输至所述数据存储分析模块。优选的是，所述壳体上设置有放样窗口，所述放样窗口上设置有滑盖。优选的是，所述温控热循环组件包括温控盒体、设置在所述温控盒体内的散热器、设置在所述散热器上的帕尔贴以及设置在所述散热器侧部的风扇，所述载物热台设置在所述帕尔贴上，所述载物热台上设置有透明盖板。优选的是，所述核酸序列还包括Spacer序列、作为PCR扩增时的引物结合区域的通用引物序列以及PloyT。优选的是，单个所述微孔内的所有细胞标签具有相同的序列，不同所述微孔内的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高通量单细胞转录组与基因突变整合分析一体化装置，其特征在于，包括高通量单细胞编码芯片和整合分析装置；/n所述高通量单细胞编码芯片具有用于捕获单细胞的微孔，每个所述微孔具有唯一的空间坐标编码，且所述微孔内修饰有若干条用于捕获目标RNA的核酸序列，所述核酸序列包括用于标示RNA源自的细胞的细胞标签和用于标示结合的RNA的分子标签，每个微孔的细胞标签与空间坐标编码一一对应；/n所述整合分析装置包括壳体以及设置在所述壳体内的温控热循环模块、荧光成像模块和数据存储分析模块，所述荧光成像模块包括光源组件、显微物镜、荧光分光组件和成像探测器；/n所述温控热循环组件上设置有用于安置所述高通量单细胞编码芯片的载物热台，所述温控热循环组件用于提供PCR扩增反应所需的温度环境；/n所述光源组件发出的激发光经所述荧光分光组件后，再经过所述显微物镜后到达所述温控热循环组件上的所述高通量单细胞编码芯片，其中的样品被激发产生的荧光原路返回经过所述显微物镜和荧光分光模块后，再进入所述成像探测器，进行荧光成像；/n所述数据存储分析模块用于存储所述成像探测器采集的荧光图像信息，并进行单细胞转录组与基因突变整合分析。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高通量单细胞转录组与基因突变整合分析一体化装置，其特征在于，包括高通量单细胞编码芯片和整合分析装置；
所述高通量单细胞编码芯片具有用于捕获单细胞的微孔，每个所述微孔具有唯一的空间坐标编码，且所述微孔内修饰有若干条用于捕获目标RNA的核酸序列，所述核酸序列包括用于标示RNA源自的细胞的细胞标签和用于标示结合的RNA的分子标签，每个微孔的细胞标签与空间坐标编码一一对应；
所述整合分析装置包括壳体以及设置在所述壳体内的温控热循环模块、荧光成像模块和数据存储分析模块，所述荧光成像模块包括光源组件、显微物镜、荧光分光组件和成像探测器；
所述温控热循环组件上设置有用于安置所述高通量单细胞编码芯片的载物热台，所述温控热循环组件用于提供PCR扩增反应所需的温度环境；
所述光源组件发出的激发光经所述荧光分光组件后，再经过所述显微物镜后到达所述温控热循环组件上的所述高通量单细胞编码芯片，其中的样品被激发产生的荧光原路返回经过所述显微物镜和荧光分光模块后，再进入所述成像探测器，进行荧光成像；
所述数据存储分析模块用于存储所述成像探测器采集的荧光图像信息，并进行单细胞转录组与基因突变整合分析。


2.根据权利要求1所述的高通量单细胞转录组与基因突变整合分析一体化装置，其特征在于，所述光源组件包括第一LED光源、第二LED光源、第三LED光源、第一二向色镜、第二二向色镜和扩束透镜组，
所述第一LED光源发出的光依次透射所述第一二向色镜、第二二向色镜后到达所述扩束透镜组；
所述第二LED光源发出的光经第一二向色镜反射、第二二向色镜透射后到达所述扩束透镜组；
所述第三LED光源发出的光经第二二向色镜反射后到达所述扩束透镜组；
所述第一LED光源、第二LED光源、第三LED光源发出三种不同波长的光，且三种光的波长范围覆盖400nm-700nm。


3.根据权利要求2所述的高通量单细胞转录组与基因突变整合分析一体化装置，其特征在于，所述荧光分光组件包括支架、可转动设置在所述支架上的旋转台、用于驱动所述旋转台转动的电机以及均匀间隔设置在所述旋转台上的若干个荧光分光模块，
所述荧光分光模块包括激发光滤光片、样品光滤光片和第四二向色镜；
所述旋转台用于将若干个所述荧光分光模块中的一个切换进入光路，所述扩束透镜组出射的激发光经过所述激发光滤光片后被所述第四二向色镜反射，然后经过所述显微物镜到达安置在所述载物热台上的高通量单细胞编码芯片上；所述高通量单细胞编码芯片中的样品产生的荧光经过所述显微物镜后透射所述第四二向色镜，再经过所述样品光滤光片后到达所述成像探测器，所述成像探测器采集的荧光图像信息传输至所述数据存储分析模块。


4.根据权利要求1所述的高通量单细胞...

【专利技术属性】
技术研发人员：周连群，张芷齐，姚佳，李金泽，李敏，李传宇，唐玉国，李超，张威，郭振，
申请(专利权)人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32