近日，《表型组学》（Phenomics）在线发表陆军军医大学生物医学分析测试中心万瑛课题组、中国计量科学研究院王晶课题组和深圳大学高等研究院江山课题组共同撰写的题为Mapping Cell Phenomics with Multiparametric Flow Cytometry Assays的综述文章，该文章对多参数流式细胞术的技术进展及其在单细胞表型组学中的应用进行了详细阐述。

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https://link.springer.com/article/10.1007/s43657-021-00031-0

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细胞表型组学研究细胞在特定遗传背景和环境因素下的多种表型集合，精准地描述细胞群体中单个细胞状态、结构特征及功能特性，从而解构复杂的细胞发育和分化系统，挖掘未知细胞表型，解析细胞基因组-表型组互作机制，为探讨生命过程内在机制和疾病发病机理提供更加系统、全面的数据。多参数流式细胞术能够同时定量测量单个细胞的多种表型参数（蛋白、核酸、离子水平、酶活性等），并在短时间内完成数以万计细胞的检测，是获取单细胞表型组数据的极佳工具。

01 多参数流式细胞术的发展历史

流式细胞术自上世纪90年代后期进入了飞速发展期。新激光器（特别是短波长激光器）的引入，分光模块功能的增强，检测器灵敏度的提升以及电子系统的数字化升级，赋予了流式细胞仪同时激发更多种类荧光和采集更多测量参数的能力，导致多色流式的荧光检测能力从90年代的4参数提升至2020年的60参数。

2008年以来，为克服荧光溢漏对参数增多带来的负面影响，通过革新标记/检测体系和信号获取方法，分别诞生了光谱流式细胞术（Spectrum Flow Cytometry）和质谱流式细胞术（Mass Cytometry）。光谱流式细胞术显著提升了荧光信号分离的精准度，而质谱流式细胞术可同时检测参数达至100个以上且几乎没有参数间溢漏，极大地便利了多色流式方案的设计和实施。

传统流式数据分析常采用散点图级联设门（Hierarchical gating），只能针对已知细胞群体的标记物进行定向分析，无法系统地利用所有单细胞表型组信息，并且在处理20个以上参数的数据时显得力不从心。近10年来，以聚类和降维为代表的可视化分析算法在多参数流式细胞术中得到日益广泛的应用，从而可以有效利用细胞流式检测的全部表型数据，在单一图谱中进行表型定义和群体划分，特别是降维分析更能如实反映细胞的细微表型差别，有助于发现与特定疾病相关的未知表型细胞亚群。

02 表型组学研究的多参数流式检测技术进展

推动多参数流式检测的细胞表型组学研究首先面临的挑战是如何分析和展示多参数流式检测数据。计算机科学领域多变量分析算法逐渐被引入多参数流式数据分析。早期SPADE和FlowSOM为代表的聚类分析计算已无法满足需求，近来主成分分析（Priciple Component Assay, PCA）为代表的线性降维和viSNE与UMAP为代表的非线性降维，分别在减少分析参数、降低信息损失比例、提高局部差异解析以及大规模数据计算速度等方面有了长足的进步。其次，多参数流式细胞组学研究与其他组学技术相似，样本处理、仪器状态、数据分析等操作过程的诸多变量对实验结果造成了不可忽视的影响。为提高实验结果的可重复性，促使人们致力于自动化样本处理技术的革新。本世纪以来，研究人员共开发了三代自动化技术。在2010年代中期，随着第三代免离心洗涤技术的引入，突破了离心在自动化处理中造成的瓶颈，此类技术利用分层流不相混合的特征实现温和的并行洗涤，减少机械刺激并提升细胞保留效果率。

03 多参数流式的重要表型组学应用

多色流式细胞术具有特异性高、灵敏度好、主观性低等特性，可快速获得远多于其他方法的细胞表型信息，为细胞表型组学的发展提供了更多可能性。多色流式细胞术被广泛应用于免疫系统功能评估、肿瘤免疫细胞治疗等方面。通过检测血细胞表面抗原可精确测定外周血细胞种类、发育阶段及功能状态等表型组学信息。在临床诊断领域，多色流式表型分析在血液病、肿瘤细胞分型具有重要地位。运用此技术可在数小时内获得肿瘤细胞的免疫表型和局部免疫微环境信息，从而筛选治疗靶标，追踪时间异质性，检测微小病灶（MRD）等，可用于肿瘤预后判断和治疗方案优化。

Abstract

Phenomics explores the complex interactions among genes, epigenetics, symbiotic microorganisms, diet, and environmental exposure based on the physical, chemical, and biological characteristics of individuals and groups. Increasingly efficient and comprehensive phenotyping techniques have been integrated into modern phenomics-related research. Multicolor flow cytometry technology provides more measurement parameters than conventional flow cytometry. Based on detailed descriptions of cell phenotypes, rare cell populations and cell subsets can be distinguished, new cell phenotypes can be discovered, and cell apoptosis characteristics can be detected, which will expand the potential of cell phenomics research. Based on the enhancements in multicolor flow cytometry hardware, software, reagents, and method design, the present review summarizes the recent advances and applications of multicolor flow cytometry in cell phenomics, illuminating the potential of applying phenomics in future studies.

刘洋、赵海初和傅博强为本文共同第一作者。该项目得到了国家重点项目、国家市场监督管理总局标准技术管理项目、国家科技基础条件平台项目和深圳市自然科学等多项基金的资助。

Phenomics期刊简介

Phenomics是一本新创的同行评审国际期刊，聚焦表型组学前沿研究，搭建全球表型组学领域专家交流的国际平台，推动该领域相关的理论创新和学科发展。

本期刊拥有强大的国际编委团队，复旦大学金力院士担任主编，美国系统生物学研究所Leroy Hood院士、澳大利亚莫道克大学Jeremy Nicholson院士、德国莱布尼兹环境医学研究所Jean Krutmann院士、复旦大学唐惠儒教授共同担任副主编，复旦大学丁琛教授担任执行主编，另有来自全球多国的三十多位著名科学家共同组成编委团队，以及四十多位青年科学家组成青年编委团队。

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文章来源：人类表型组计划公众号