就学科归属来说，单细胞生物学（single cell biology）属于基因组学、尤其是功能基因组学的一个比较前沿的研究领域。然而，出于对经济、易用的单细胞工具的研发和商品化应用，已经吸引了越来越多的研究人员进入了这一领域。
单细胞生物学
应该说，生物学最终的基本结构单元是单个的细胞，许多生物学科因此都试图从单细胞水平上来阐明细胞分化的原因。这其中，（单细胞生物学）隐藏着人体成熟、再生和各种遗传疾病的奥秘，而单细胞中的相关信息（密码）又组成了就遗传克隆角度而言的多细胞生物。尽管人们在解剖组织样本的情况下，应用复杂仪器对细胞进行了仔细的研究。然而几项研究提示：经过混合的细胞样本如人所望地是同源的，经常是由表型极其相异的细胞所组成的。
对于经济、易用的单细胞工具（single cell tools）的研发和商品化，已经使越来越多的研究人员们进入并探索单细胞生物学这个崭新的领域。这一领域主要包括分离单个细胞的方法学，如荧光激活细胞分选技术、激光捕获显微切割技术、光学镊子和原子力显微镜等。即一旦单细胞样本得到了制备之后，就可以应用荧光原位杂交技术（FISH）和单细胞PCR技术来鉴别由单细胞组成的群体之间的差异。这些工作的结果引发了单细胞生物学领域的工作与思考，相关的考虑包括：单细胞基因组学、单细胞基因表达谱、生物芯片中环境微生物研究及其未来影响和个性化药物的单细胞蛋白质组学，等等。
单细胞中隐藏着人体各种遗传病的奥秘，图为造血干细胞
采用多细胞/多组织技术进行的单细胞研究，其效用通常是有限的，主要是因为技术上的问题导致敏感性检测存在缺陷。尽管单细胞基因组学分析存在的粗略潜能，但该领域一直局限于对大数量的单细胞隔离群中相对稀少的基因组学基因座的比较分析。比如，FISH或者单细胞PCR这样的技术只能用来研究小数量的DNA序列，而且要求其来源细胞是完好无损的。
同样地，小样本规模的一种单细胞目前已经引发了对基因表达、蛋白质组学结构和细胞代谢物的特征化研究等少量有限的观察。而作为一种非特异性扩增技术，全基因组扩增技术（WGA）提供了有效的途径来克服单细胞基因组分析的上述限制。到目前为止，人们已经对WGA的三种不同战略进行研究，它们是：接头适配子PCR法、引物延伸预扩增PCR法和多链替代扩增技术（MSD）。
三种WGA策略
接头适配子PCR方法于1989年第一次得到描述。在这种方法中，靶DNA首先被用一种合适的限制性内切酶裂解，然后给每个DNA片断的末端连接上一段适配子序列。这些已知的适配子序列被用来根据源样本均一地扩增DNA片断的每一段。这种方法有赖于一致性引物区之间的绝对有效的连接和无偏倚的扩增。
与之相反，引物延伸预扩增PCR（PEP－PCR）技术则使用一套随机的六聚体引物来扩增模板DNA。在其后的热循环条件下，（许可的情况下）可以在非常低的退火温度和50个或更多的循环依照源输入的DNA以产生一系列的片断。在此方法中，PEP-PCR的结果产物的偏倚是由随机六聚体退火和延伸性DNA切割造成的非均一性所产生的，会出现不频繁的和相互疏远的扩增事件。
而上述方法的缺陷在很大程度上可以被多链替代扩增技术（MSD）所克服。MSD技术采用了一种独特的、处理效率很高的嗜温DNA聚合酶phi29，其结果产物由长达1050kb的片断组成，扩增效率和表现度均良好。
最后，退行性寡核苷酸引物PCR技术(DOP－PCR)，也就是所谓的任意引物PCR，即以一套具有随机3’端和部分相同的5’端序列的寡核苷酸为特征。这是根据退火DNA样本进行设计的，使用的是靶向它们的固定序列的寡核苷酸引物，一旦在某种聚合酶的催化下延伸，这些产物就会得到扩增。在这项技术中，引物的设计是关键的，即寡核苷酸必须与DNA序列均匀、全部地结合，而不与其他寡核苷酸结合。这种方法已经成功地应用于一些有代表性的样本中。
单细胞分析进展
上述这些技术已经被用来解决扩增单细胞中遗传材料的问题，并已经取得了一些成功。PEP－PCR技术是第一种用于单细胞全基因组扩增的技术，而且还成功地用于了几种相关应用之中。由罗宾汉基因组学公司开发的DOP－PCR技术的一个变种，即在应用接头适配子PCR基础上产生了的一种新技术，可以对单条染色体进行完全的扩增。最后，通过使用phi29酶的MSD已经可以用来扩增一系列种类的单细胞。
对于不同的全基因组扩增技术策略，可以在两个不同的方面加以区别：（1）当使用有限数量的输入模板时产品中偏倚的数量；（2）对输入模板的质量要求。前一个问题被认为是由于试剂在靶物附近的局部分布是不平均的，它在单细胞研究中明确出现信息的丢失和等位基因遗失（ADO）；后一个现象则因方法的不同而各异，并且受损DNA可以使特定的基因座不可扩增。
而像MSD产生长的扩增子序列的全基因组扩增方法，由于扩增事件必须要少、而较长的扩增子又易导致信息丢失，因此会出现不太稳健的情况。相对而言，那些产生短扩增子的全基因组扩增术，诸如PEP－PCR、接头适配子扩增术和DOP－PCR，丢失的信息则较少。
目前，DOP－PCR技术和MSD扩增术可以以商品化分子生物学试剂盒的形式得到，其中有一些专门为单细胞的研究量身定做。这种产品线的核心是一种基于PCR的全基因组扩增方法，它通过组合使用PEP和DOP扩增方法，来降低与全局性适配子相偶发的变质寡核苷酸。
其中，有一种单细胞全基因组扩增试剂盒可以产生100万倍的扩增效率，在使用流式分选仪和激光显微捕获单细胞后可产生大约5ug的最终产量。
单细胞全基因组扩增术的进展，可以将基因组学研究与单细胞生物学进展联系起来。在癌症研究和药物发现研究中涉及基因组学问题的时候，尤其显示了其最大的潜力。通过将单个的癌症细胞与其正常细胞进行比较，可以将染色体畸变（作为癌症进展的一个产物）进行更好的分类。另外，通过比较“受治疗”群体与“未受治疗”群体的单细胞，可以评价其基因组学效应和用来筛选药物候选物。
在单个细胞水平上理解各种细胞的差异与特色是生物学的终极目标。各种新的商品化了的技术，比如单细胞全基因组扩增术(single cell WGA)，正在为进一步的科学研究打开了一个新的前沿疆域。人们已经完成了一些值得关注的重要工作，主要是对单细胞RNA的敏感与无偏倚的扩增，以允许进行单细胞基因表达谱的研究。目前，该领域已经开发了一些商品化试剂盒以用来满足客户的需求。
在探索表观遗传学、蛋白质组学、代谢组学和细胞信号传导过程中，研究人员必将发现一些敏感的方法，以此进一步揭示单细胞生物学的世界，最终造福于人类。
资料来源Indis bio-spectrum website
责任编辑 则 鸣