人工细胞的表型测试与分选：构建从光谱学到遗传学的桥梁

拉曼激活细胞分选

如前所述，拉曼光谱是一种无损非标记的单细胞表型识别手段，在基于微生物组或工程细胞库的细胞功能筛选中均具有广阔的应用前期。如何在拉曼识别后高通量地分选目标表型细胞，即拉曼激活细胞分选（Raman-activated cell sorting，RACS），并用于下游培养、组学分析等环节，对于细胞表型测试平台的构建同样重要。近年来，一系列基于拉曼光谱的单细胞分选技术和核心器件先后面世，其中包括拉曼光镊分选、拉曼弹射分选（RACE）、拉曼光钳液滴分选（RAGE）、拉曼微流分选（RAMS）、拉曼微流液滴分选（RADS）等。这些新工具有效耦合了单细胞拉曼表型测量和基因型分析（或培养），为在单细胞水平解析表型和基因型的关系提供了重要手段。

拉曼激活弹射分选（RACE），其基本原理是在拉曼测量基片上溅射一层薄膜，将样品点在该薄膜上并封装接收微孔阵列；对细胞进行拉曼检测后，特定细胞可通过施加一束脉冲激光在目标细胞位置的基体芯片上；该细胞将被弹射剥离到收集微孔内，可灵活实现单个微孔内收集单个细胞或多个细胞。受光斑尺寸的影响，直接弹射一般用于小细胞的弹射分离，针对大细胞及细胞团，可对目标细胞区域先进行激光切割（RAMD），然后进行弹射。该方法操作相对灵活简单，分选准确率高。然而，拉曼分析分选时的激光辐射对细胞的生理活性会造成一定损伤，而在 RACE 的干片模式下，导热散热较为困难，辐射造成的细胞活性损伤有可能更为显著。此外，由于激光辐射引起胞内核酸损伤等可能原因，弹射后细菌单细胞测序的覆盖度一般不超过 20%，因此基因组拼装相对困难。

拉曼激活光镊液滴分选（RAGE），是笔者团队新近开发的一种耦合拉曼光镊和液滴单细胞包裹导出的拉曼细胞分选技术。RAGE 克服了单一光镊力难以实现目标细胞脱离焦平面导出的问题，通过耦合液滴微流控技术，完成了目标单细胞的精准分选和快速导出。同时，拉曼检测于水相中进行，能最大限度地保持细胞生理活性，并能够精确匹配每个细胞与之相对应的拉曼光谱表型，实现“所测即所得”。此外，分选后的单细胞已经包裹在油包水微液滴中，因此可直接耦合后续的单细胞培养和组学分析。我们的数据表明，细菌细胞通过 RAGE 系统分选之后其存活率基本不受影响，可直接耦合下游的单细胞培养。而在与 RAGE 直接耦合的单细胞核酸扩增与测序中，可能是由于液相拉曼检测对于目标细胞的保护作用，目标大肠杆菌单细胞的全基因组测序覆盖率有了大幅度提高（可达约 95%）。