现有平台在通量、灵活性与多步反应兼容性之间存在难以调和的矛盾。半透膜微胶囊(SPCs)以液-液相分离形成核-壳结构，兼具液滴微流控的高通量与微孔板的操作灵活性，其尺寸选择性通透膜可截留核酸大分子(>300 bp)同时允许酶和小分子试剂自由扩散，从而支持复杂的多步生化反应流程。为下一代高通量检测技术提供了可靠的反应平台。
一、SPCs微胶囊发展历程
双水相体系(Aqueous Two-Phase System，ATPS)技术的发展是推动SPCs微胶囊成熟应用的直接因素。该技术是指两种水溶性高分子(如PEG——葡聚糖)或者高分子——盐混合，当二者超过临界浓度时，发生液相分离形成两种互不相溶的水溶液。该技术起初主要用于蛋白、细胞器、细胞的批量分配萃取。
随着微流控技术的不断发展，研究者将微流控技术与ATPS技术结合起来：使用可光聚合的高分子材料作为壳相，与流动的水凝胶等材料作为内相共流进入微流控芯片中，再用油相做连续剪切相，生成 “内核相 + 壳相” 的复合液滴；壳相聚合物向液滴外表面迁移，紫外光原位交联，形成固态水凝胶半透外壳，内核保持液态，即形成了 SPCs 微胶囊[1]。
图1.微流控法制备SPCs微胶囊
二、SPCs微胶囊与FACS流式分选
Leonaviciene等[2]于2022年发表的研究中将SPCs微胶囊与流式细胞技术结合对数千至数万个单细胞进行数字基因分型。通过将单个细胞封装在半透膜微胶囊中，研究者只需要更换微胶囊悬浮液即可实现细胞裂解——逆转录——多层PCR扩增——高通量阅读等多步反应。
利用这套体系，研究者成功在PBMC背景中检测到携带PML-RARα融合基因的NB-4人急性早幼粒细胞白血病细胞，在稀释100倍的情况下仍可以有效检测出标记白细胞，展示了其临床诊断潜力。
图2.基于FACS与SPCs技术筛选白血病细胞:(A)半透膜微胶囊中进行多步反应体系;(B)半透膜微胶囊与流式细胞术共同鉴定NB4细胞系
除了分子检测外，SPCs微胶囊还可以与流式细胞技术一起用于微生物菌群的分选鉴定。相较于琼脂板、琼脂糖微球、油包水液滴等培养，SPCs微胶囊具有“物理隔离细胞，但允许代谢物扩散”的特点。保留了不同菌种间的互作功能，有利于对产甲烷菌为代表的慢生菌的生长。经过宏基因组的分析证明：SPCs微胶囊的物种丰富度仅次于液体培养，远高于琼脂板、琼脂糖微球以及油包水液滴。在此背景下，将培养的SPCs微胶囊使用SYTO-9染料染色，即可通过流式细胞仪分别出单克隆菌株并进行鉴定[3]。
图3.基于SPCs微胶囊的微生物鉴定:(A)胶囊微流控制备;(B)胶囊选择性通透结构;(C)不同厌氧菌株在胶囊内生长成像
三、SPCs微胶囊与单细胞测序
2026年3月，Science同期刊登了立陶宛维尔纽斯大学Mazutis团队和哈佛大学Klein团队基于SPCs微胶囊开发的单细胞测序技术的文章。Mazutis等[4]延续GelMA材料路线，开发了CapSeq方法，实现了基于split-and-pool条形码的全转录组scRNA-seq。相较于传统的scRNA-seq，SPCs微胶囊的多步洗涤能力允许在单细胞包裹后将4M异硫氰酸胍裂解液扩散进微胶囊中(Harsh lysis)，实现对RNA酶的清除，提高转录组的捕获效率。CapSeq在中性粒细胞中的UMI和基因捕获数显著优于10x Genomics v3.1和BD Rhapsody平台。
图4.CapSeq工作流程及性能验证：(A) CapSeq技术路线;(B) K-562细胞中评估裂解条件对测序指标的影响;(C) UMAP显示裂解条件对外周血各类免疫细胞回收的影响;(D)中性粒细胞样本中，CapSeq对比商用平台的UMI与基因捕获性能。
Klein等[5]则另辟蹊径，采用Pluronic F127二丙烯酸酯(F127DA)等两亲性嵌段共聚物作为壳层材料，开发了CAGE(capsules with amphiphilic gel envelopes)平台及inC-seq条形码方法。相较于Capseq，inC-seq则采用更为模块化的五步条形码策略：首先在PCR预扩增阶段引入14种条形码(PCRb)，随后进行三轮split-and-pool连接反应，每轮引入48种条形码，最后在胶囊溶解后通过index PCR引入16种index。其核心创新在于利用含脱氧尿苷(dU)的PCR引物，通过USER酶切除产生3'突出端和5'磷酸化粘性末端，实现高效的条形码连接。实现了转录组与染色质开放性的多组学整合及大规模活细胞克隆动态分析。
图5.CAGE介导的单细胞组学检测:(A)inC-RNA-seq、inC-ATAC-seq建库流程;(B)胶囊内裂解、核酸扩增显微成像;(C)inC-RNA-eq人鼠混合doublet验证;(D)inC-ATAC-eq人鼠混合doublet验证;
SPCs的出现，不仅仅是又一种新方法，更可能是单细胞测序领域期待已久的"统一平台"。它将高通量、多步灵活性和活细胞兼容性这三大此前互斥的能力集于一身，为基因组、转录组、表观组和功能测量的整合提供了创新框架。研究者还可以借助该技术将高通量测序和活细胞功能培养整合在同一套系统实现长期细胞培养与检测。未来，随着材料体系的进一步丰富、标准化设备的普及和蛋白质组、表观基因组等更多组学模态的整合，SPCs有望在精准医学、药物发现、微生物组学等领域发挥越来越重要的作用，持续推动单细胞生物学从描述性研究向功能性、动态性研究的纵深发展。
参考文献
[1]Leonaviciene, Greta et al. “Multi-step processing of single cells using semi-permeable capsules.” Lab on a chip vol. 20,21 (2020): 4052-4062. doi:10.1039/d0lc00660b
[2]Leonaviciene, Greta et al. “RNA cytometry of single-cells using semi-permeable microcapsules.” Nucleic acids research vol. 51,1 (2023): e2. doi:10.1093/nar/gkac918
[3]Sallet, Hugo et al. “High-throughput cultivation and isolation of environmental anaerobes using selectively permeable hydrogel capsules.” ISME communications vol. 5,1 ycaf117. 13 Jul. 2025, doi:10.1093/ismeco/ycaf117
[4]Baronas, Denis et al. “High-throughput single-cell omics using semipermeable capsules.” Science (New York, N.Y.) vol. 391,6790 (2026): 1138-1145. doi:10.1126/science.ady7227
[5]Mazelis, Ignas et al. “Multistep genomics on single cells and live cultures in subnanoliter capsules.” Science (New York, N.Y.) vol. 391,6790 (2026): 1130-1137. doi:10.1126/science.ady7209
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