Abstract Characterizing the transcriptome of individual cells is fundamental to understanding complex biological systems. We describe a droplet-based system that enables 3′ mRNA counting of tens of thousands of single cells per sample. Cell encapsulation, of up to 8 samples at a time, takes place in ∼6 min, with ∼50% cell capture efficiency. To demonstrate the system’s technical performance, we collected transcriptome data from ∼250k single cells across 29 samples. We validated the sensitivity of the system and its ability to detect rare populations using cell lines and synthetic RNAs. We profiled 68k peripheral blood mononuclear cells to demonstrate the system’s ability to characterize large immune populations. Finally, we used sequence variation in the transcriptome data to determine host and donor chimerism at single-cell resolution from bone marrow mononuclear cells isolated from transplant patients.

Digital PCR enables the absolute quantitation of nucleic acids in a sample. The lack of scalable and practical technologies for digital PCR implementation has hampered the widespread adoption of this inherently powerful technique. Here we describe a high-throughput droplet digital PCR (ddPCR) system that enables processing of ∼2 million PCR reactions using conventional TaqMan assays with a 96-well plate workflow. Three applications demonstrate that the massive partitioning afforded by our ddPCR system provides orders of magnitude more precision and sensitivity than real-time PCR. First, we show the accurate measurement of germline copy number variation. Second, for rare alleles, we show sensitive detection of mutant DNA in a 100 000-fold excess of wildtype background. Third, we demonstrate absolute quantitation of circulating fetal and maternal DNA from cell-free plasma. We anticipate this ddPCR system will allow researchers to explore complex genetic landscapes, discover and validate new disease associations, and define a new era of molecular diagnostics.

Droplet digital PCR shows greater precision and reproducibility but no consistent gain in sensitivity when compared to real-time PCR. Nanoliter-sized droplet technology paired with digital PCR (ddPCR) holds promise for highly precise, absolute nucleic acid quantification. Our comparison of microRNA quantification by ddPCR and real-time PCR revealed greater precision (coefficients of variation decreased 37–86%) and improved day-to-day reproducibility (by a factor of seven) of ddPCR but with comparable sensitivity. When we applied ddPCR to serum microRNA biomarker analysis, this translated to superior diagnostic performance for identifying individuals with cancer.

Droplet digital polymerase chain reaction (ddPCR) is a new technology that was recently commercialized to enable the precise quantification of target nucleic acids in a sample. ddPCR measures absolute quantities by counting nucleic acid molecules encapsulated in discrete, volumetrically defined, water-in-oil droplet partitions. This novel ddPCR format offers a simple workflow capable of generating highly stable partitioning of DNA molecules. In this study, we assessed key performance parameters of the ddPCR system. A linear ddPCR response to DNA concentration was obtained from 0.16% through to 99.6% saturation in a 20,000 droplet assay corresponding to more than 4 orders of magnitude of target DNA copy number per ddPCR. Analysis of simplex and duplex assays targeting two distinct loci in the Lambda DNA genome using the ddPCR platform agreed, within their expanded uncertainties, with values obtained using a lower density microfluidic chamber based digital PCR (cdPCR). A relative expanded uncertainty under 5% was achieved for copy number concentration using ddPCR. This level of uncertainty is much lower than values typically observed for quantification of specific DNA target sequences using currently commercially available real-time and digital cdPCR technologies.

A microfluidics approach that links short sequence reads enables haplotype construction and complex variation identification from tiny amounts of input DNA. Haplotyping of human chromosomes is a prerequisite for cataloguing the full repertoire of genetic variation. We present a microfluidics-based, linked-read sequencing technology that can phase and haplotype germline and cancer genomes using nanograms of input DNA. This high-throughput platform prepares barcoded libraries for short-read sequencing and computationally reconstructs long-range haplotype and structural variant information. We generate haplotype blocks in a nuclear trio that are concordant with expected inheritance patterns and phase a set of structural variants. We also resolve the structure of the EML4-ALK gene fusion in the NCI-H2228 cancer cell line using phased exome sequencing. Finally, we assign genetic aberrations to specific megabase-scale haplotypes generated from whole-genome sequencing of a primary colorectal adenocarcinoma. This approach resolves haplotype information using up to 100 times less genomic DNA than some methods and enables the accurate detection of structural variants.

The first lab-on-chip system for picoliter droplet generation and PCR amplification with real-time fluorescence detection has performed PCR in isolated droplets at volumes 106 smaller than commercial real-time PCR instruments. The system utilized a shearing T-junction in a silicon device to generate a stream of monodisperse picoliter droplets that were isolated from the microfluidic channel walls and each other by the oil-phase carrier. An off-chip valving system stopped the droplets on-chip, allowing them to be thermally cycled through the PCR protocol without droplet motion. With this system, a 10-pL droplet, encapsulating less than one copy of viral genomic DNA through Poisson statistics, showed real-time PCR amplification curves with a cycle threshold of approximately 18, 20 cycles earlier than commercial instruments. This combination of the established real-time PCR assay with digital microfluidics is ideal for isolating single-copy nucleic acids in a complex environment.

Characterizing the transcriptome of individual cells is fundamental to understanding complex biological systems. We describe a droplet-based system that enables 3′ mRNA counting of up to tens of thousands of single cells per sample. Cell encapsulation in droplets takes place in ~6 minutes, with ~50% cell capture efficiency, up to 8 samples at a time. The speed and efficiency allow the processing of precious samples while minimizing stress to cells. To demonstrate the system′s technical performance and its applications, we collected transcriptome data from ~¼ million single cells across 29 samples. First, we validate the sensitivity of the system and its ability to detect rare populations using cell lines and synthetic RNAs. Then, we profile 68k peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) to demonstrate the system′s ability to characterize large immune populations. Finally, we use sequence variation in the transcriptome data to determine host and donor chimerism at single cell resolution in bone marrow mononuclear cells (BMMCs) of transplant patients. This analysis enables characterization of the complex interplay between donor and host cells and monitoring of treatment response. This high-throughput system is robust and enables characterization of diverse biological systems with single cell mRNA analysis.