Digital Assays Part II: Digital Protein and Cell Assays

A digital assay is one in which the sample is partitioned into many containers such that each partition contains a discrete number of biological entities (0, 1, 2, 3, …). A powerful technique in the biologist’s toolkit, digital assays bring a new level of precision in quantifying nucleic acids, measuring proteins and their enzymatic activity, and probing single-cell genotype and phenotype. Where part I of this review focused on the fundamentals of partitioning and digital PCR, part II turns its attention to digital protein and cell assays. Digital enzyme assays measure the kinetics of single proteins with enzymatic activity. Digital enzyme-linked immunoassays (ELISAs) quantify antigenic proteins with 2 to 3 log lower detection limit than conventional ELISA, making them well suited for low-abundance biomarkers. Digital cell assays probe single-cell genotype and phenotype, including gene expression, intracellular and surface proteins, metabolic activity, cytotoxicity, and transcriptomes (scRNA-seq). These methods exploit partitioning to 1) isolate single cells or proteins, 2) detect their activity via enzymatic amplification, and 3) tag them individually by coencapsulating them with molecular barcodes. When scaled, digital assays reveal stochastic differences between proteins or cells within a population, a key to understanding biological heterogeneity. This review is intended to give a broad perspective to scientists interested in adopting digital assays into their workflows. デジタルアッセイとはサンプルを多数の微細なコンテナに分配し、各パーティションに個々の数（0、1、2、3…）の生物学的実体が含まれるようにする方法である。生物学者用ツールキットの有力な手段であるデジタルアッセイは、核酸の定量、種々のタンパク質とそれらの酵素活性の測定、および単細胞由来の遺伝子型および表現型の探索の精度を新たなレベルに引き上げる。本レビューのパート1ではパーティショニングとデジタルPCRの基本に重点を置いているが、パート2ではタンパク質と細胞のデジタルアッセイに注目する。酵素デジタルアッセイは酵素活性により単一タンパク質の動態を定量化し測定する。デジタル酵素結合免疫測定法（デジタルELISA法）はタンパク質の定量において従来のELISA法より検出下限が2～3log低いためするため、低含量のバイオマーカーに適切である。細胞デジタルアッセイは単細胞由来の遺伝子型と表現型について、例えば遺伝子発現、細胞間および細胞表面のタンパク質、代謝活性、細胞傷害性、およびトランスクリプトーム（scRNA-SEQ）などを探索する。これらの方法はパーティショニングを活用して、酵素増幅を通じて分子を検出し、単細胞活性を隔離し、単細胞のトレーサビリティを確保する。スケールを調整するとデジタルアッセイは、ある母集団内のタンパク質または細胞間の推計学的差、すなわち生物学的不均一性を理解する鍵となる推計学的差を明らかにする。本レビューの目的は、デジタルアッセイを自身のワークフローに採用することに関心のある科学者に、幅広い展望を示すことである。 数字测定表示将样本分别装入众多容器中，以便每个分区包含不同数量的生物实体（0、1、2、3……）。作为生物学家工具包中一项功能出色的技术，数字测定可以全面提升核酸定量、蛋白质及其酶活性测量以及单细胞基因型和表现型检测的精度。本文第一部分重点介绍了分区和数字PCR的基础知识，第二部分将关注数字蛋白质和细胞测定。数字酶测定可以定量和测量单一蛋白质与酶活性的动力学。相比传统ELISA方法，数字酶联免疫测定（ELISA）可以定量具有2-3个更低检测限制的蛋白质，非常适合低丰度生物标志物。数字细胞测定可以检测单细胞基因型和表现型，包括基因表达、细胞内和表面蛋白质、代谢活动、细胞毒性和转录物组（scRNA-SEQ）。这些方法能够探索分区以并通过酶扩增检测分子、