CIPHER-seq 实现单个免疫细胞内细胞因子反应的多模态分析

更清晰地观察免疫系统

免疫细胞通过释放称为细胞因子的微小蛋白信使进行交流，这些因子有助于抵抗感染和癌症，但也可能助长自身免疫性疾病。科学家经常使用强大的 RNA 测序工具逐个研究免疫细胞，但这些工具主要看到的是以 RNA 形式书写的信息，而不是实际执行功能的蛋白质。本文介绍了 CIPHER-seq，一种新方法，允许研究者同时测量单个免疫细胞内的遗传信息和隐含的蛋白信号，从而更真实地呈现防御系统的实际行为。

仅靠 RNA 无法捕捉全貌的原因

许多现代研究将 RNA 视为蛋白水平的替代指标，假定更多的 RNA 意味着更多的蛋白。通过重新分析来自癌症和单细胞研究的大型现有数据集，作者表明这种简化常常会失效——尤其是在免疫细胞的细胞因子和其他激活标志物上。在数千个基因中，RNA 与蛋白之间的相关性薄弱，有些基因甚至呈现相反的趋势。这种不匹配源于从生成 RNA 到构建或维持蛋白之间的多重步骤，包括蛋白的合成速度、分泌或降解等。结果是，单纯的 RNA 测量容易误判免疫细胞的真实反应强度。

构建一种更温和的细胞“窗口”

为了解决这一问题，团队开发了 CIPHER-seq，一套经过精细调试的实验流程，能够温和地固定并打开免疫细胞，使带条码的特异性抗体得以进入并标记蛋白，同时保持 RNA 完好以便测序。他们将 CIPHER-seq 与领先的商业方法在静息和强刺激后的人外周血免疫细胞上进行了比较。所有方法都捕获了类似类型和数量的细胞，但出现了一个关键差异：竞争性方案引发了线粒体 RNA 的激增，这是细胞应激和损伤的标志。相比之下，CIPHER-seq 将这些应激信号保持在较低水平，同时仍然能够可靠地访问细胞内目标，表明其对细胞的扰动更小，产生的数据更干净、更可信。

实时观察免疫信号

借助这种改进的化学方法，研究人员进一步追踪了免疫细胞在被激活时的反应。他们聚焦于两种主要的炎性细胞因子 IFN-γ 和 TNF，分别在单个细胞内以 RNA 和蛋白两种形式测量。刺激后，多种免疫细胞类型在这两种信使的 RNA 和蛋白水平上都显著上升，部分细胞成为能同时产生多种细胞因子的“多功能”细胞。通过将细胞沿数据驱动的“激活时间线”排列，团队观察到 RNA 信号先上升，随后同一细胞内的蛋白信号紧随其后。这个时间滞后虽小但一致，符合基因先被转录为 RNA 然后蛋白积累的生物学预期，强调了同时测量两层信息的价值。

同一细胞的五重视角

CIPHER-seq 不止是一项单一测量；它为每个细胞提供五层视角。在一次实验中，它同时捕获了完整的 RNA 信息、细胞表面蛋白、细胞内细胞因子、其他细胞内蛋白以及用于追踪每个细胞来源样本的条码。由于所有这些信息都是从完全相同的细胞中共同读取，研究者可以绘制代谢、应激反应和激活通路如何交织在一起。作者展示，在 CIPHER-seq 条件下，能量代谢和 DNA 损伤修复等敏感通路中 RNA 与蛋白之间的关联得到更好保留，表明人为应激减少、生物学信息更可信。

对未来医学的意义

总之，这项研究表明，仅凭 RNA 无法充分理解免疫细胞的真实行为，尤其是在处理像细胞因子这样强效、反应迅速的分子时。CIPHER-seq 提供了一种可行的方法，可以在不显著扰动细胞的情况下，同时观察成千上万个单细胞内的遗传指令和蛋白质行为。对于患者而言，这种详尽的多层免疫谱可能有助于解释为何某些人在感染、疫苗或癌症治疗中的反应不同，并可能指导更精确的治疗设计，以更准确地利用或抑制免疫系统。

引用: Bhalgat, A., Micin, K., Affer, M. et al. CIPHER-seq enables intracellular multimodal profiling of cytokine responses in single immune cells. Sci Rep 16, 9693 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44946-y

关键词: 单细胞测序, 细胞因子谱, 免疫激活, 多组学, 细胞内蛋白