用于将单细胞成像与RNA转录组学相关联的系统和方法技术方案

用于将单细胞成像数据与RNA转录组学相关联的系统和方法。将单个细胞分离到微孔中，该微孔具有在表面结合有寡核苷酸的微珠。每个寡核苷酸都包括对于该珠唯一的细胞识别光学条形码和在细胞裂解后捕获RNA的结合序列。该系统被配置为将单个细胞加载到微阵列中，并将细胞裂解缓冲液和其它试剂流入微阵列，以进行RNA文库样品制备。该系统还被配置用于将与细胞识别光学条形码互补并被光学标记的光学杂交探针流到微孔阵列上，并且用于响应所述探针获得微孔的图像。该系统和独特的细胞识别光学条形码以及互补光学杂交探针促进了微孔阵列上存在的细胞的表型成像与单细胞全转录组测序之间的连接。序之间的连接。序之间的连接。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于将单细胞成像与RNA转录组学相关联的系统和方法
[0001]优先权要求
[0002]本申请要求2019年6月27日提交的美国临时申请序列号62/867,830的权益，其公开内容通过引用以其整体并入本文。


[0003]本说明书一般地涉及用于将单细胞成像与全基因组RNA转录谱相关联的自动化系统和方法。

技术介绍

[0004]微流体和cDNA条形码的最新进展已经导致单细胞RNA
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Seq(scRNA
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seq)的通量显著增加[1
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5]。但是，与早期或可扩展性较低的技术[6
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8]不同，这些新工具没有提供一种直截了当的方式来将从单个活细胞获得的表型信息与其表达谱直接联系起来。尽管如此，基于微孔的scRNA
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seq实现与多种表型测量兼容，所述表型测量包括活细胞成像、免疫荧光和蛋白质分泌测定[3,9
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12]。这些方法涉及在微制造室阵列中将单个细胞和条形码RNA捕获珠共封装。因为条形码珠随机分布到微孔中，所以不能直接将在微孔中测量的表型与其相应的表达谱关联起来。
[0005]本公开提供用于将单细胞成像数据与全基因组RNA转录谱相关联的自动化系统和方法。

技术实现思路

[0006]本说明书描述了用于自动化单细胞成像和样品制备的方法和系统，其使单细胞成像数据与RNA转录组学相关联。示例系统包括仪器组件，该仪器组件包括流体子系统、热子系统和成像子系统，该成像子系统包括被配置用于保持和扫描微孔阵列的机动载物台。该系统包括耦接(couple，耦合)到仪器组件的控制子系统，并且该控制子系统被配置用于执行操作。所述操作包括使用流体子系统将多个细胞流动到微孔阵列上，其中细胞的一个子集(a subset of the cells，细胞的子集)作为单个细胞存在于微孔中，和使用成像子系统为微孔阵列中的每个位置获得在该位置的一个或多个第一图像。所述控制子系统被配置用于使用流体子系统将具有细胞识别光学条形码序列和RNA结合序列的微珠流动到微孔阵列上，其中所述微珠的一个子集作为单个细胞
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珠对存在于微孔中。所述控制子系统被配置为使用流体子系统将细胞裂解缓冲液和一种或多种用于RNA文库制备的试剂流动到微孔阵列上。所述控制子系统被配置用于使用流体子系统将多个光学杂交探针的N个池的第一个流动到微孔阵列上并且将所述探针杂交到位于其中的珠，所述珠在附接于其上的细胞识别光学条形码序列中具有互补核苷酸序列。所述控制子系统被配置用于使用成像子系统针对每个位置获得一个或多个第二图像以量化该位置处的荧光强度，所述一个或多个第二图像中的每一个用于创建描述在至少一个光学杂交探针和细胞识别光学条形码之间的匹配或缺乏匹配的二进制代码。所述控制子系统被配置用于为所述N个探针池中的每一个重复流动
和杂交步骤并且获得一个或多个第二图像步骤。所述控制子系统被配置用于通过将所述N个探针池的每一个的二进制代码映射到所述细胞识别条形码序列，以使用第二图像为每个位置确定该位置的细胞识别光学条形码，并存储该位置的细胞识别光学条形码和该位置处的第一图像之间的数据关联。
[0007]一种示例方法包括用于将单细胞成像数据与RNA转录组学相关联的自动化方法。该方法包括使用流体子系统将多个细胞流动到微孔阵列上，其中所述细胞的一个子集作为单个细胞存在于微孔中；使用成像子系统，为微孔阵列中的多个位置中的每个位置获得该位置处的一个或多个第一图像；使用流体子系统，将具有细胞识别光学条形码序列和RNA结合序列的多个微珠流动到微孔阵列上，其中所述珠的一个子集作为单个细胞
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珠对存在于微孔中；使用流体子系统，将细胞裂解缓冲液和用于RNA文库制备的一种或多种试剂流动到微孔阵列上；使用流体子系统，将多个光学杂交探针的N个池中的第一个流动到微孔阵列上，并将所述探针与定位在其中的珠杂交，所述珠具有与其附接的细胞识别光学条形码序列中的互补核苷酸序列。所述控制子系统被配置为使用成像子系统，为所述多个位置中的每个位置获得一个或多个第二图像，以量化该位置处的荧光强度，所述一个或多个第二图像中的每一个被用于创建二进制代码，其描绘所述光学杂交探针中至少一个与所述细胞识别光学条形码之间的匹配或缺乏匹配；对所述N个探针池中的每一个重复所述流动和杂交步骤以及获得所述一个或多个第二图像步骤；对于所述多个位置中的每个位置，通过将所述N个探针池中的每一个的二进制代码映射到所述细胞识别条形码序列，使用第二图像确定该位置的细胞识别光学条形码，并且存储该位置的细胞识别光学条形码和该位置处第一图像之间的数据关联；和对于所述多个位置中的每个位置，在接收到每个细胞识别光学条形码的核酸测序数据后，存储所述核酸测序数据、所述细胞识别光学条形码和与该细胞识别光学条形码相关联的第一图像之间的数据关联。
[0008]本说明书中描述的计算机系统可以以硬件、软件、固件或其任何组合来实现。在一些示例中，所述计算机系统可以使用其上存储有计算机可执行指令的计算机可读介质来实现，当由计算机的处理器执行时，所述计算机可执行指令控制计算机以执行步骤。合适的计算机可读介质的示例包括非暂时性计算机可读介质，例如磁盘存储装置、芯片存储装置、可编程逻辑装置和应用专用集成电路。此外，实现本文描述的主题的计算机可读介质可以位于单个设备或计算平台上，或者可以分布在多个设备或计算平台上。
[0009]提供了一种用于识别单细胞光学表型与细胞类型、谱系或克隆之间的对应性的示例方法。该方法包括：初始化系统，该系统包含：仪器组件，该仪器组件包含流体子系统、热子系统和成像子系统，其中所述成像子系统包含被配置用于保持微孔阵列的台；耦接到所述仪器组件的控制子系统，该控制子系统包含至少一个处理器和存储器；和使用所述控制子系统执行操作。该操作包括使用所述流体子系统将多个细胞流动到微孔阵列上，其中所述细胞的一个子集作为单细胞存在于微孔中；对于微孔阵列中多个位置中的每个位置，使用成像子系统获得该位置处的一个或多个第一图像并测量一个或多个细胞光学表型特征；使用流体子系统，将具有细胞识别光学条形码序列和RNA结合序列的多个微珠流动到微孔阵列上，其中所述珠的一个子集作为单细胞
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珠对存在于微孔中；使用流体子系统，将细胞裂解缓冲液和用于RNA文库制备的一种或多种试剂流动到微孔阵列上；使用流体子系统，将多个光学杂交探针的N个池中的第一个流动到微孔阵列上并使所述探针与位于其中的珠杂
交，所述珠在细胞识别光学条形码序列中具有互补核苷酸序列；对于所述多个位置中的每个位置，使用成像子系统获得一个或多个第二图像以量化该位置处的荧光强度，所述一个或多个第二图像中的每一个被用于创建描述所述光学杂交探针中的至少一个与所述细胞识别光学条形码之间的匹配或缺乏匹配的二进制代码；对所述N个探针池中的每一个重复所述流动和杂交步骤，以及获得所述一个或多个第二图像步骤；通过将所述N个探针池中的每一个的二进制代码映射到所述细胞识别条形码序列，为所述多个位置中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于将单细胞成像与唯一光学条形码读出相关联和制备RNA文库的自动化系统，所述系统包括：仪器组件，所述仪器组件包括流体子系统、热子系统和成像子系统，其中，所述成像子系统包括被配置用于保持微孔阵列的台；耦接到所述仪器组件的控制子系统，所述控制子系统包括至少一个处理器和存储器，所述控制子系统被配置用于执行操作，所述操作包括：使用所述流体子系统，使多个细胞流动到所述微孔阵列上，其中，所述细胞的一个子集作为单个细胞存在于微孔中；使用所述成像子系统，对于所述微孔阵列中的多个位置中的每个位置获得在所述位置处的所述细胞的一个或多个第一图像；使用所述流体子系统，使具有细胞识别光学条形码序列和RNA结合序列的多个微珠流动到所述微孔阵列上，其中，珠的一个子集作为单个细胞
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珠对存在于所述微孔中；使用所述流体子系统，使用于RNA文库制备的细胞裂解缓冲液和一种或多种试剂流动到所述微孔阵列上；使用所述流体子系统，使多个光学杂交探针的N个池中的第一个流动到所述微孔阵列上，并使所述探针与位于所述微孔阵列中的所述珠杂交，所述珠在所述细胞识别光学条形码序列中具有互补核苷酸序列；使用所述成像子系统，对于所述多个位置中的每个位置，获得一个或多个第二图像以量化所述位置处的荧光强度，将所述一个或多个第二图像中的每一个用于创建二进制代码，所述二进制代码描绘所述光学杂交探针中的至少一种与细胞识别光学条形码之间的匹配或缺乏匹配；对于所述探针的N个池中的每一个，重复流动和杂交步骤和获得一个或多个第二图像步骤；和通过将所述探针的N个池中的每一个的二进制代码映射到细胞识别条形码序列，对于所述多个位置中的每个位置，确定针对所述位置的细胞识别光学条形码，并且存储针对所述位置的所述细胞识别光学条形码与所述位置处的所述第一图像之间的数据关联。2.根据权利要求1所述的系统，所述操作包括：使用所述成像子系统，对所述微孔阵列进行成像，并进行图像分析以监测所述微孔内细胞裂解的完成。3.根据权利要求1所述的系统，其中，用于RNA文库样品制备的所述一种或多种试剂包括逆转录混合物，并且所述操作包括：在基于执行图像分析确定细胞裂解完成后，使用所述流体子系统使逆转录混合物流动到所述微孔阵列上。4.根据权利要求1所述的系统，所述操作包括：对于所述多个位置中的每个位置，使用所述位置的所述第一图像，确定在对应于所述位置的微孔中描绘的多个细胞。5.根据权利要求1所述的系统，所述操作包括：回收所述微珠。6.根据权利要求1所述的系统，所述操作包括：对于每个细胞识别光学条形码，接收核酸测序数据；和
存储所述核酸测序数据、所述细胞识别光学条形码与所述第一图像之间的数据关联，所述第一图像与所述细胞识别光学条形码相关联。7.根据权利要求1所述的系统，包括微孔阵列。8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热子系统与所述保持微孔阵列的台热连接，并且其中，所述操作包括控制所述热子系统以向所述微孔阵列施加热量。9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流体子系统包括流量单元、流量控制单元、一个或多个阀门单元以及一个或多个加压试剂储存器，并且其中，所述操作包括控制所述流量控制单元并控制阀门切换。10.一种用于将单细胞成像数据与RNA转录组学相关联的自动化方法，所述方法包括：将系统初始化，所述系统包括：仪器组件，所述仪器组件包括流体子系统、热子系统和成像子系统，其中，所述成像子系统包括被配置用于保持微孔阵列的台；耦接到所述仪器组件的控制子系统，所述控制子系统包括至少一个处理器和存储器；和使用所述控制子系统执行操作，所述操作包括：使用所述流体子系统，使多个细胞流动到所述微孔阵列上，其中，所述细胞的一个子集作为单个细胞存在于微孔中；使用所述成像子系统，对于微孔阵列中的多个位置中的每个位置获得所述位置处的一个或多个第一图像；使用所述流体子系统，使具有细胞识别光学条形码序列和RNA结合序列的多个微珠流动到所述微孔阵列上，其中，珠的一个子集作为单个细胞
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珠对存在于所述微孔中；使用所述流体子系统，使用于RNA文库制备的细胞裂解缓冲液和一种或多种试剂流动到所述微孔阵列上；使用所述流体子系统，使多个光学杂交探针的N个池中的第一个流动到所述微孔阵列上，并使所述探针与位于所述微孔阵列中的所述珠杂交，所述珠在所述细胞识别光学条形码序列中具有互补核苷酸序列；对于所述多个位置中的每个位置，使用所述成像子系统获得一个或多个第二图像以量化所述位置处的荧光强度，将所述一个或多个第二图像中的每一个用于创建二进制代码，所述二进制代码描绘所述光学杂交探针中的至少一种与细胞识别光学条形码之间的匹配或缺乏匹配；对于所述探针的N个池中的每一个，重复流动和杂交步骤和获得一个或多个第二图像步骤；通过将所述探针的N个池中的每一个的二进制代码映射到细胞识别条形码序列，对于所述多个位置中的每个位置，确定针对所述位置的所述细胞识别光学条形码，并存储针对所述位置的所述细胞识别光学条形码与所述位置处的所述第一图像之间的数据关联；和对于所述多个位置中的每个位置，在对于每个细胞识别光学条形码接收核酸测序数据后，存储所述核酸测序数据、所述细胞识别光学条形码与所述第一图像之间的数据关联，所述第一图像与所述细胞识别光学条形码相关联；其中，所述单细胞成像数据由此与所述细胞的RNA转录组相关联。
11.根据权利要求10所述的方法，包括：使用所述成像子系统，对所述微孔阵列进行成像，并进行图像分析以监测所述微孔内细胞裂解的完成。12.根据权利要求11所述的方法，其中，用于RNA文库制备的所述一种或多种试剂包括逆转录混合物，并且所述方法包括：在基于执行图像分析确定细胞裂解完成后，使用所述流体子系统使逆转录混合物流动到所述微孔阵列上。13.根据权利要求10所述的方法，包括：对于所述多个位置中的每个位置，使用所述位置的所述第一图像确定在对应于所述位置的微孔中描绘的多个细胞。14.根据权利要求10所述的方法，包括回收所述微珠。15.根据权利要求10所述的方法，包括控制热子系统以向所述微孔阵列施加热量。16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述流体子系统包括流量单元、流量控制单元、一个或多个阀门单元和一个或多个加压试剂储存器，并且其中，所述方法包括控制所述流量控制单元并控制阀门切换。17.根据权利要求10所述的方法，其中，使用成像子系统获得所述位置处的一个或多个第一图像，还包括：测量一个或多个细胞光学表型特征；和生成所述一个或多个细胞光学表型特征与所述核酸测序数据之间的关系的表示，所述核酸测序数据与所述第一图像中的每一个相关联，其中，单细胞表型特征与相关测序数据之间的相关性识别单细胞光学表型与基于所述单细胞的转录组学的细胞类型、谱系或克隆之间的对应性。18.根据权利要求10所述的方法，其中，所述细胞光学表型特征包括以下中的一个或多个：面积、平均强度、强度标准偏差、最小强度、最大强度、中值强度、周长、宽度、高度、长轴、短轴、圆度、费雷特直径、最小费雷特直径、正圆度或坚固度。19.一种用于识别单细胞光学表型与细胞类型、谱系或克隆之间的对应性的方法，包括：使系统初始化，所述系统包括：仪器组件，所述仪器组件包括流体子系统、热子系统和成像子系统，其中，所述成像子系统包括被配置用于保持微孔阵列的台；耦接到所述仪器组件的控制子系统，所述控制子系统包括至少一个处理器和存储器；使用所述控制子系统执行操作，所述操作包括：使用所述流体子系统，使多个细胞流动到所述微孔阵列上，其中，所述细胞的一个子集作为单个细胞存在于微孔中；对于所述微孔阵列中的多个位置中的每个位置，使用所述成像子系统获得所述位置处的一个或多个第一图像并测量一个或多个细胞光学表型特征；使用所述流体子系统，使具有细胞识别光学条形码序列和RNA结合序列的多个微珠流动到所述微孔阵列上，其中，珠的一个子集作为单个细胞
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珠对存在于所述微孔中；使用所述流体子系统，使用于RNA文库制备的细胞裂解缓冲液和一种或多种试剂流动
到所述微孔阵列上；使用所述流体子系统，使多个光学杂交探针的N个池中的第一个流动到所述微孔阵列上，并使所述探针与位于所述微孔阵列中的所述珠杂交，所述珠在所述细胞识别光学条形码序列中具有互补核苷酸序列；对于所述多个位置中的每个位置，使用所述成像子系统获得一个或多个第二图像以量化所述位置处的荧光强度，将所述一个或多个第二图像中的每一个用于创建二进制代码，所述二进制代码描绘所述光学杂交探针中的至少一种与细胞识别光学条形码之间的匹配或缺乏匹配；对于所述探针的N个池中的每一个，重复流动和杂交步骤以及获得一个或多个第二图像步骤；通过将所述探针的N个池中的每一个的二进制代码映射到细胞识别条形码序列，对于所述多个位置中的每个位置，确定针对所述位置的细胞识别光学条形码，并且存储针对所述位置的所述细胞识别光学条形码与所述位置处的所述第一图像之间的数据关联；对于所述多个位置中的每个位置，在对于每个细胞识别光学条形码接收核酸测序数据后，存储所述核酸测序数据、所述细胞识别光学条形码与所述第一图像之间的数据关联，所述第一图像与所述细胞识别光学条形码相关联；和生成所述一个或多个细胞光学表型特征与所述核酸测序数据之间的关系的表示，所述核酸测序数据与所述第一图像中的每一个相关联，其中，单细胞表型特征与相关测序数据之间的相关性识别单细胞光学表型与基于所述单细胞的转录组学的细胞类型、谱系或克隆之间的对应性。20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述细胞光学表型特征包括以下中的一个或多个：面积、平均强度、强度标准偏差、最小强度、最大强度、中值强度、周长、宽度、高度、长轴、短轴、圆度、费雷特直径、最小费雷特直径、正圆度或坚固度。21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述细胞光学表型特征源自明场、暗场、荧光、冷光、拉曼或散射显微术中的一种或多种。22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述细胞包括组织、肿瘤、细胞培养物、体液、血样、尿样或唾液样品。23.根据权利要求19所述的方法，其中，所述细胞是人类、哺乳动物或动物细胞。24.根据权利要求19所述的方法，其中，所述细胞是免疫细胞、T细胞、B细胞、基质细胞、干细胞、神经细胞或肿瘤细胞。25.根据权利要求19所述的方法，其中，所述细胞是免疫细胞，并且其中，所述一个或多个细胞光学表型特征包括免疫表型特征。26.根据权利要求19所述的方法，其中，所述细胞是经过基因修饰的细胞，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰奎琳，
申请(专利权)人：纽约哥伦比亚大学理事会，
类型：发明
国别省市：