华大发表最新Science论文：立体单细胞技术，开启百亿细胞大数据新纪元，推动虚拟细胞构建

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

在生命科学领域，单细胞测序技术就像一把“精密手术刀”，让科学家得以剖析每个细胞的分子特征，为深入理解生命的复杂性提供独特视角。然而，现有的单细胞测序技术的局限性往往需要科学家做出取舍：要么漏掉某些细胞，要么抓不住细胞形态。这便导致在应对一些复杂研究场景时，现有技术就如同“盲人摸象”般看不到细胞所处环境的全貌信息。

2025 年 8 月 22 日，华大生命科学研究院牵头建设的基因组多维解析技术全国重点实验室联合多家机构，在国际顶尖学术期刊Science上发表了题为：Stereo-cell: Spatial enhanced-resolution single-cell sequencing with high-density DNA nanoball-patterned arrays 的研究论文。

该论文发布了全球领先的细胞组学技术——Stereo-cell，颠覆性实现了多模态整合、原位动态捕捉、极限样本兼容、百万级通量等技术突破，彻底打破了传统单细胞测序技术局限。该成果推动单细胞测序摆脱往往只能获取单一分子层面信息的“平面解析”模式，迈向兼顾多模态信息具备“立体洞察”能力的脱“单”时代，将为规模化开展细胞病理、发育与衰老、免疫与疾病、动植物遗传与进化等前沿研究提供强有力的支撑。

基于 Stereo-cell 技术平台，实验室联合 18 家机构共同成立“百亿细胞联盟（10 Billion Cells Alliance, 10BC） ”。该联盟旨在绘制细胞图谱，构建虚拟细胞，深度解码生命底层规律，推动生命科学实现从生物数据储备到智能技术驱动的产业革新。

Stereo-cell 基于高密度DNA纳米球（DNB）阵列芯片，在无需依赖特定设备进行细胞分隔封装的情况下，直接对细胞进行原位捕获和转录组测序，实现从百个至百万个量级细胞的无偏捕获，同步解析细胞的转录、蛋白信号与形态学信息，并兼容原位培养、异形细胞等特殊需求，推动单细胞组学技术进入高通量、多维度、可操控的新发展阶段。

Stereo-cell 技术特点总结

突破一、无差别精准捕获：从“漏网之鱼”到“纳米级捕手”

目前单细胞研究领域最主流的技术之一是基于液滴微流控的高通量单细胞测序技术。但微流控通道对不同细胞的捕获偏好不同，容易“偏心”某些细胞类型，还可能丢失细胞形态等关键信息。

Stereo-cell 的核心是高密度 DNA 纳米球阵列，直径仅 220 nm 的小球以 500 nm 的间距密集排列在芯片上，就像一批纳米级别的“捕手”，直接通过静电吸附即可捕获细胞，避免了传统方法中因物理限制导致的细胞丢失或变形问题。

此外，通过结合显微成像及空间定位，Stereo-cell 对每一个细胞做了一次“CT 扫描”和“GPS 定位”，能在一张密密麻麻的细胞“集体照”中精准识别每个细胞，可以避免因多个细胞重叠或背景杂乱导致的误判。研究显示，Stereo-cell 生成的单细胞基因表达谱与传统平台获得的数据高度一致，且细胞类型比例更契合真实情况。

Stereo-cell基于DNA纳米球芯片建立实验流程，实现宽幅细胞投入通量

更重要的是，Stereo-cell 支持从 0.5cm×0.5cm 至 6cm×6cm 的不同尺寸芯片规格，可以实现从百个到百万个量级细胞投入的超宽通量范围，且能够在一次实验中从大规模样本中识别出稀有细胞亚群，即便占比仅 0.05% 的稀有细胞也能被精准找到，真正实现“大海捞针”。同时，Stereo-cell 芯片最大尺寸可达 13cm×13cm，使其具备更大细胞通量潜能。这些结果证实，Stereo-cell 已然成为一位“纳米级高精准捕手”，能够在宽幅细胞投入通量下，无偏好地对所有细胞类型实现精准而高效的转录本捕获。

突破二、单次实验整合多模态：给细胞拍一幅“立体照片”

对于识别出的细胞，能不能既掌握它的外形特征，又清楚它是什么类型，还了解它有哪些功能？

通过整合荧光染色和抗体标记技术，Stereo-cell 使得同时捕获细胞形态、转录本和细胞表面蛋白成为可能，相当于给细胞拍了一张“多模态立体照片”，在识别细胞类型的同时捕捉其功能状态。这不仅帮助研究人员揭示了不同免疫细胞的活化状态，还找到了仅靠 RNA 分析无法识别的表型差异。

“一次实验就能捕获百万数量细胞，并且获取形态、转录和蛋白特征，实现更深度地解析细胞的病理状态。”论文共同第一作者、华大生命科学研究院刘传宇研究员表示，“毋庸置疑，Stereo-cell 是单细胞组学迈向临床细胞组学的里程碑，有望在疾病机制研究和临床转化中发挥巨大潜力。”

Stereo-cell通过整合荧光染色和抗体标记技术实现多模态捕获

突破三、原位动态监测：细胞变化的“实时直播”

Stereo-cell 支持细胞直接在芯片上培养，实现原位动态测序，捕捉基因转录活性变化，并保留空间位置及时序变化信息。

例如，在芯片上培养成纤维细胞的研究中，Stereo-cell 不仅捕获了细胞迁移和纤维化过程中的基因表达变化，还解析了细胞外囊泡的时空分布规律，以及真实物理接触细胞间的互作信号。这为理解细胞间通讯打开了全新视角，极大扩展了单细胞测序研究的边界，如应用于大规模药物筛选和小分子扰动实验等。

Stereo-cell可实现培养细胞的原位测序

突破四、兼容极限样本：“无损解析”微结构与大细胞

对于传统技术难以处理的复杂结构和大细胞，Stereo-cell 也展现出独特的优势。例如，在骨骼肌纤维研究中，Stereo-cell 能精准区分不同功能区域的基因表达，揭示肌纤维的空间异质性；在卵细胞研究中，Stereo-cell 可高通量地原位捕获 719 个卵母细胞，绘制其从生长到成熟过程中的基因表达变化、染色质形态动态和RNA亚细胞空间分布等。

Stereo-cell的诞生，不仅首次摆脱了传统液滴分隔与微流控技术的限制，让科学家能在纳米尺度上看到细胞的“故事”，更是中国科学家为解析生命密码打造的新“钥匙”。

复旦大学附属中山医院呼吸首席科学家、上海市临床生物信息学研究所所长王向东教授表示：“从临床的角度来看，Stereo-cell技术为我们开创了临床分子医学的一个新途径，会帮助我们为病人提供更好的服务。”目前，他正联合复旦大学中山医院、上海同济医院、河南省人民医院等六家医院的专家，组成 Stereo-cell 临床小组，基于 Stereo-cell 前沿技术开展临床单细胞技术转化的项目，希望能为病人提供更多维度、更多层面临床检测和治疗。

浙江大学生命科学研究院阮一骏教授表示：“Stereo-cell 是一项开创性的技术。它将我们的想象完全打开了，让我们可以去探寻每个人体细胞在生命过程中起到了什么功能，发生了什么变化，以及在什么情况下开始病变。未来，它在医学临床领域将会有无限的应用前景，期待大家共同推动单细胞技术从百亿级走向万亿级水平，让我们可以真正全面解析人体每个细胞的命运。”

正如文章共同通讯作者、基因组多维解析技术全国重点实验室主任、华大集团首席研究员徐讯所言：“Stereo-cell不仅是技术平台，更是新一代生命数据引擎。而基于此平台发起的百亿细胞联盟，将构建包括生命图谱、疾病图谱和扰动响应图谱在内的‘三大细胞宇宙数据库’。我们欢迎全球科研团队共建共享，共同推动细胞 AI 大模型与虚拟细胞系统研发，实现从数据到诊疗的系统性跃迁。”

基因组多维解析技术全国重点实验室徐讯研究员、陈奥研究员、刘龙奇研究员为论文共同通讯作者，廖莎研究员、周小熙博士、刘传宇研究员、刘畅副研究员、郝世杰博士、罗红玉为该论文共同第一作者。该成果获得了深圳市单细胞重点实验室、深圳市数字化细胞病理概念验证中心、山西医科大学-华大未来医学联合研究中心的支持。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr0475