微生物在维持生物圈平衡与调控人类健康中发挥关键作用，微生物单细胞RNA测序（mscRNA-seq）是解析微生物异质性及功能的核心技术。然而传统高通量mscRNA-seq方法依赖多次离心，导致微生物大量损失且引入物种偏差，同时需高样本输入量，难以适配肠道、痰液等低生物量临床样本，限制了其临床应用转化。

近期，浙江大学科良渚实验室王永成研究员、唐政敏研究员团队开发了一种名为smGel-seq的高通量微生物单细胞RNA测序技术，通过微通道阵列（μCA）装置将单个微生物封装进可溶解水凝胶珠（smDHBs），将肠道微生物样本的回收率从8.8%大幅提升至91.8%，样本输入需求仅为传统方法的1/20，并成功应用于临床肠道与痰液微生物样本的高通量测序分析。相关研究以“Fast Encapsulation of Microbes into Dissolvable Hydrogel Beads Enables High-Throughput Microbial Single-Cell RNA Sequencing of Clinical Microbiome Samples”为题目，发表在期刊《Advanced Materials》上。

本文要点：

1、该研究推出了smGel-seq这一高通量微生物单细胞RNA测序方法，旨在解决现有方法存在的微生物损失、偏差大及对样本微生物输入量要求高的问题。

2、其核心是借助微通道阵列（μCA）装置，将单个微生物封装到可溶解水凝胶珠（smDHBs）中，再通过优化的自动化微流控平台实现smDHBs与条形码珠的共封装，完成单个微生物的高通量条形码标记。

3、μCA装置能快速生成大量均匀液滴，smDHBs的多孔结构可让试剂自由扩散，同时防止微生物逃逸，经二硫苏糖醇（DTT）可快速溶解以释放cDNA。

4、性能测试显示，smGel-seq将肠道微生物组样本的微生物回收率从smRandom-seq的8.8%提升至91.8%，仅需传统方法1/20的微生物输入量即可完成测序，且物种特异性高。

5、在临床样本应用中，成功对肠道微生物组样本进行测序，识别出38个物种及不同功能亚群；首次实现临床痰液微生物组的高通量单细胞RNA测序，发现鲍曼不动杆菌的两个亚群，其中一个亚群在环境适应性、抗生素耐药性和致病性方面表现突出。

6、该方法为临床微生物样本的精准诊断和治疗提供了有力工具，有望在微生物组研究和临床诊断中广泛应用。

smGel-seq与传统方法相比有哪些关键优势？

smGel-seq技术通过可溶解水凝胶珠（smDHBs）包埋单个微生物，解决了传统mscRNA-seq方法中微生物损失和偏差的核心问题。具体如下：

① smDHBs直径约20μm，为微生物提供均匀质量，离心时沉降更稳定，避免因微生物尺寸差异（0.6μm-120μm）导致的不均一损失；

② 水凝胶多孔结构允许引物、酶等小分子试剂自由扩散，不影响后续反应，同时牢牢固定微生物，减少多次离心操作中的流失；

③ 配合μCA装置快速生成均一smDHBs（封装效率≈96.4%），进一步降低操作偏差。最终使肠道微生物样本回收率从传统方法的8.8%提升至91.8%，显著减少物种特异性偏差。

图1. 基于可溶解水凝胶珠封装微生物的微生物单细胞RNA测序流程图

图2. 微通道阵列（μCA）装置的设计、组件及可溶解水凝胶珠（smDHBs）的制备

图3. 自动化微流控平台实现可溶解水凝胶珠（smDHBs）与条形码珠的共封装

图4. 利用三物种混合细菌样本及人类肠道微生物样本验证smGel-seq方法的性能

图5. smGel-seq方法在临床微生物样本中的应用

结论与意义

smGel-seq通过smDHBs包埋与微流控技术创新，解决了传统mscRNA-seq的损失、偏差、高输入量难题，实现了低生物量临床样本（如痰液）的高通量单细胞测序，能够精准识别微生物物种及功能亚群，为临床感染诊断、耐药机制研究和精准治疗提供了全新工具，具有广泛的科研与临床应用前景。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202500481

(本文仅供参考学习及传递微流控研究成果，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除)