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我们在大约10年前开发了这项技术。它是在David Rissin进行的一项关键实验之后发展起来的，David Rissin当时是我实验室的博士生。
当时，我们正在为一个不同的项目使用微井阵列。在一次实验室会议上，我提出了一个问题:“需要多少个荧光分子才能使这些非常微小的微孔中的浓度达到容易检测到的水平?”我们进行了计算，结果是大约100个荧光染料分子。
David使用光纤微孔阵列进行了一项实验，该阵列在光纤的末端有大约60,000个微孔。我们在这些微孔中捕获了一种非常稀的酶溶液——每个微孔的体积约为40飞升(10-15升)——非常小的体积。
该实验旨在捕获含有高浓度底物的酶的极稀溶液。底物是酶的起始材料，因此，如果存在一种酶，酶将催化该底物转化为许多荧光产物分子。β-半乳糖苷酶是一种相当活跃的酶，这个过程会很快发生。
我们的想法是，我们将在如此稀释的酶浓度下进行这个反应，只有一小部分孔会含有酶分子，只有那些含有酶分子的孔会发出荧光。在David Rissin制定出进行实验所需的技术细节后，他证明了人们可以清楚地看到哪些井含有酶分子，因为它们变成了非常亮的红色，而不含酶分子的井仍然是黑色的。
在这个演示之后，我们观察到当我们降低酶的浓度时，我们观察到更少的荧光孔，因为阵列中有更少的酶分子。我们在《纳米快报》上发表了一篇论文，并声称这是第一次有人通过计数分子来测量浓度。
所以这个实验是第一次证明你可以取一个溶液，把它限制在很小的体积里然后计算溶液中分子的数量。在这种情况下，β-半乳糖苷酶的浓度可以通过简单地计算亮孔的数量相对于暗孔的数量来测量。
开发Simoa是因为我们想知道我们是否可以用这种方法来衡量人们关心的事情。例如，生物学家对测量核酸和蛋白质等分子特别感兴趣。
随着时间的推移，单分子阵列技术的发展，结合试剂现在附着在微球或“珠子”上，以便从溶液中捕获感兴趣的目标分子。然后用酶分子标记含有结合目标分子的珠粒，并将其装入孔中，并将孔密封。
如果有一个酶分子附着在一个球上，它就会作为核酸分子或感兴趣的蛋白质分子的报告者。附着的酶分子催化许多底物分子转化为产物，这样含有酶的孔将在局部形成高浓度的产物并发出荧光。含有珠子但没有结合分子的阱将保持黑暗。这就是整个技术的演变。
Simoa技术
就核酸而言，它接近于其他敏感技术，如聚合酶链反应(PCR)。例如，已经证明可以在飞摩尔(10-15)浓度下检测到特定的核酸序列，因此灵敏度甚至可能更高。
Simoa的检测极限通常比传统的蛋白质检测方法——酶联免疫吸附测定(ELISA)技术的灵敏度高100到1000倍。Simoa技术开辟了在包括血液在内的各种样品中以前所未有的浓度测量蛋白质的潜力，这是基于Simoa的分析的主要焦点。
我们只是简单地改变了样品处理和制备，使其可以应用于单细胞测定。这仍然是一种传统的Simoa试验，它使用附着在珠子上的捕获抗体来结合单个细胞中感兴趣的蛋白质。
对于样品制备，我们首先分离单个细胞，手动或使用各种单细胞分离程序，如流式细胞术或微流体。关键是在非常小的体积内分离单个细胞。
然后，我们将分离的细胞裂解，破坏它们的膜，并将其内容物释放到一小块缓冲液中。然后我们加入珠子，捕捉我们感兴趣的分子。然后，一切都遵循Simoa的传统工作流程。
目标是能够研究群体中的单个细胞。现在人们认识到，对一群细胞进行均质化处理，通常是数千甚至数百万个细胞，当进行测量时，会得到细胞中蛋白质或核酸的平均浓度。这样的测量掩盖了细胞群的异质性。
使用Simoa，我们可以测量单个癌细胞中的蛋白质浓度。在单个细胞水平上一次观察数百个细胞，可以深入了解细胞群体的异质性。通过开发一种可以测量单个细胞中蛋白质浓度的技术，我们能够看到蛋白质浓度在人群中的分布。
这种技术的一个可能用途是在临床环境中研究组织活检。例如，如果一个人从一个乳房x光检查异常的女人身上取了一个活检针，那么单个细胞就可以从活检组织中分离出来并进行分析，而不是观察总体平均值。
这种方法很重要，因为如果样本中有任何罕见的细胞碰巧具有特别具有攻击性的表型，即使是组织样本中千分之一或一万分之一的细胞，如果你先将组织均质化并且只观察细胞群的平均值，就很难检测到该细胞。这种特别罕见的侵袭性细胞会迅速分裂，最终可能导致转移性疾病，最终对患者造成不良后果。
当病理学家评估活检样本时，他们看的是整个细胞群，他们没有得到必要的粒度水平，以确定是否存在特别具有侵略性的罕见细胞，这将给病人带来不良预后。通过观察平均值，您可能会得出这样的结论:“嗯，9999个细胞是正常的”，因为这罕见的第10000个细胞被平均到结果中，因此结果偏向于总体平均值。
目前正在研究各种各样的临床适应症。这项技术现在已经被quanterix公司商业化了，quanterix是一家位于马萨诸塞州的公司，我是该公司的科学创始人。他们授权了我在塔夫茨实验室获得的专利，并将这项技术商业化。
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我的实验室主要研究乳腺癌和传染病检测。我们现在开始用这项技术来研究帕金森病。其他研究人员正在研究各种炎症性疾病。还有一个相当庞大的群体正在使用这项技术来研究神经系统疾病;尤其是创伤性脑损伤。
美国国家橄榄球联盟资助了一些研究，研究大脑遭受创伤时释放的标记物。这些蛋白质被释放并出现在血液中，似乎可以高度预测脑损伤的程度。
其他研究人员已经使用Simoa技术开始研究阿尔茨海默病的血液标志物。还有一些人正在使用Simoa来检测心脏病发作的早期迹象，通过测量心脏开始出现问题时早期阶段释放的某些蛋白质。
在Pittcon，我将讲一些样品制备的技术细节，以便分离单细胞进行有意义的生物测量。
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我还将介绍一些我们最近的工作，关于各种培养的癌细胞，我们已经能够进行多重分析，我将展示一些有意义的测量结果，表明当我们将这项技术应用于临床样本时，我们有很好的机会检测到罕见的细胞。
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我已经提到了在临床环境中组织活检中对侵袭性罕见细胞的检测但是除了临床成分之外还有一个研究成分。
在研究环境中，从我们的角度来看，一个有趣的问题是这些罕见的细胞看起来像什么?他们与人口平均水平有何不同?由于各种各样的基因技术，包括测序，现在已经可用，因此在单细胞基因组学方面已经付出了很多努力。这些技术的结果是，有能力分离单个细胞，标记它们，然后观察细胞之间的基因差异。
当然，这给我们提供了一些关于细胞间可变性的有趣见解但是人们非常感兴趣的一件事是这些基因变化是如何在细胞如何表达不同的蛋白质方面表现出来的以及细胞实际上是如何与周围细胞不同的?
再一次，从基因型到表现型是一个很少被探索的领域，这也是我的实验室所关注的——试图了解细胞之间的差异有多大。如果我们现在能将这两种技术结合起来，并将基因型(遗传差异)与表现型(蛋白质的表达方式和细胞的物理外观)联系起来，那么我们就能更好地理解为什么稀有细胞有能力做大多数其他细胞不能做的事情。
当然，下一步是找出一种方法来扩大这项技术的规模，使其成为一种诊断技术，这样它就可以用于临床和研究工具。
我认为这两个领域都非常有前途。单分子检测和单细胞分析的统一之处在于分子是化学的基本单位而细胞是生物学的基本单位。
我们还处于分析单个分子，观察分子群的早期阶段，并且使用一些更生物物理的技术，观察单个分子并长期观察它们。我的实验室已经用相对较大的单分子，如酶，证明了这种能力。
单细胞是生物学的基本单位。就像单个细胞有差异一样当你开始观察它们的蛋白质水平或表面上相同细胞的DNA序列时，当你观察单个分子时，你也会看到行为的分布。
我们现在所处的阶段，我们有技术和分辨率来开始观察这些个体分子和个体细胞行为之间的个体差异。我认为它肯定会改写一些领域的教科书，比如生物化学和生物学，因为没有所谓的平均分子或平均细胞。每个细胞都有自己的身份。每个分子都有自己的特性。
这些行为以前被认为是分子和细胞的平均性质。单个分子的随机行为可以对生物化学过程、途径和单个细胞的最终特性产生重大影响。你可以开始观察这些途径和过程并推测单个分子的特性是如何在单细胞水平上表现出来的。
在我的实验室里，我想继续做的一件事是突破灵敏度的界限，以检测到比我们目前所能达到的更低的浓度。到目前为止，我们所能完成的是在低两到三个数量级的浓度下测量蛋白质。如果能找到另一种灵敏度高出10到100倍的仪器，那就太好了。
我们将能够以更高的灵敏度看待更多的事情。即使在今天，当我们测量血液样本时，我们也看不到某些蛋白质，因为Simoa检测技术，即使它的灵敏度高出千倍，也不能给我们提供我们需要的灵敏度来测量血液中存在的一些低表达水平的分子。我希望看到检测的下限继续提高到更敏感的水平。
我还认为，如果能够提高多路复用的水平，这样就可以同时测量更多不同类型的分子，那将是一件很棒的事情。
最后，这是我没有技术解决方案的事情，但肯定是我想看到的事情，我希望能够开始将这种分子计数技术应用于小分子。我们使用免疫分析和核酸分析来捕获大分子，但我们开发的技术确实不适合测量小分子，比如代谢物。显然，如果能够做到这一点就太棒了。
这个领域变化如此之快，最好的办法就是简单地搜索“Simoa”，然后就会有上百篇关于该技术在各种应用中的应用的文章。
David R. Walt是Tufts大学的大学教授、化学教授、遗传学教授、生物医学工程教授，也是Howard Hughes医学研究所的教授。他持有University of Michigan的化学学士学位和SUNY at Stony Brook的化学生物学博士学位。
他的实验室率先开发了微孔阵列，这导致了头阵列的发现，彻底改变了遗传分析领域。沃尔特博士的实验室还通过开发高通量技术进行单分子分析，引入了数字蛋白质检测的想法。
目前，实验室的工作旨在测量单细胞中蛋白质和基因表达的变化，对单个酶分子和单个纳米粒子群体进行基础研究，以及对癌症、传染病和生物威胁因子的生物标志物进行超灵敏检测。
他是Illumina Inc.的科学创始人和前董事，Quanterix Corp.的科学创始人和董事。他是Cerulean Pharma Inc.和Exicure, Inc.的董事，以及Ultivue, Inc.和Arbor Biotechnologies的创始人和董事。
他曾担任美国国家科学院化学科学与技术委员会的联合主席。沃尔特博士发表了300多篇同行评议论文，并拥有超过75项美国专利。
他在光学阵列和单分子领域的基础和应用工作获得了许多国家和国际奖项和荣誉，包括美国化学学会(ACS) Kathryn C. Hach创业成功奖(2017年)，Ralph N. Adams生物分析化学奖(2016年)，Gustavus John Esselen奖(2014年)，分析化学光谱化学分析奖(2013年)，匹兹堡分析化学奖(2013年)。以及美国科学学会国家创新发明奖(2010年)。
他是美国国家工程院和美国国家医学院的成员，美国艺术与科学院的院士，美国医学与生物工程研究所的院士，以及美国国家发明家学院的院士。
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