编者按：

空间转录组学的诞生，揭示了同一组织器官中不同位置的细胞基因表达谱，并推动了细胞生物学的发展。那么，空间转录组学能应用于哪些方向呢？又面临着什么挑战呢？

今天，我们特别编译发表在 Genetic Engineering & Biotechnology 杂志上关于空间转录组学的文章，希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发与帮助。

尖端技术的出现，往往会激起人们的欢呼雀跃，人们会感叹新兴技术的颠覆性。但这一切都只是暂时的，人们永远渴望改进技术，超越现有技术。

例如，单细胞 RNA 测序技术（scRNA-seq）的出现，弥补了普通 RNA 测序技术（bulk RNA-seq）的局限性。现在，对于那些对单个细胞的基因表达数据感兴趣的科学家而言，scRNA-seq 技术变得不可或缺。

尽管 scRNA-seq 技术在单细胞水平上解析了基因表达谱，但是仍然无法通过单个细胞的基因表达数据，来反映细胞之间的空间关系，也无法提供组织层面的见解。

因此，空间转录组学出现了。

美国布罗德研究所核心成员、空间转录组学技术 Slide-seq 的联合开发者 Fei Chen 博士表示，空间转录组学技术是在组织尺度上对基因表达进行解读。Chen 说，空间转录组学给我们提供了“一种观察组织生物学的新方法”。

在生物研究走过的漫长岁月里，科学家们都是利用传统病理学来描述组织的。Chen 指出，这种方法无法帮助“我们从分子层面理解组织”。

但是现在，空间转录组学可以通过分析多个单细胞的 mRNA 表达谱或转录组，深入研究组织功能的关键问题，而无需将单细胞从组织环境中剥离出来。

Chen 补充道，空间转录组学将使得研究人员能够回答过去无法回答的问题：哪些细胞在相互作用？在什么范围内相互作用？这些细胞是如何共同井井有条地工作？在疾病期间，细胞的组织模式又是如何被打破的？基因表达是如何随着空间的变化而变化的？

图.耶鲁大学的研究人员利用 MERFISH 技术，分析了真实空间中不同的胎儿肝细胞类型和它们的基因表达谱，发现特定的胎儿肝细胞类型会聚集地优先相邻排列。

Samuel Katz 医学博士，是一位病理学家，在耶鲁大学研究血液疾病近十年；而在这所学校，还有一名叫做Siyuan (Steven) Wang 的新教师，是空间生物学方面的专家。

这两位科学家通过将组织学和疾病方面的专业知识与尖端技术结合起来，共同取得了空间生物学领域的一项重要成果。具体来说，他们运用了一种名为 MERFISH 的空间转录组学技术，研究了胎儿肝脏的造血作用。

Wang 对 MERFISH 这项技术非常熟悉，因为他就是 MERFISH 原始论文的作者之一。Wang 在麻省理工学院 Xiaowei Zhuang 博士的实验室做博士后时，与同事共同开发了这项技术。

目前，MERFISH 技术已经由 Vizgen 公司进行商业化。虽然 Wang 的名字出现在了 MERFISH 的专利上，但他并没有加入 Vizgen 公司。他更喜欢自由的学术以及与学生一起工作。

而 Katz 则沉醉于病理学，他将病理学描述为“一种对疾病的视觉鉴赏”，他还痴迷于研究肝脏——尤其关注胎儿肝脏中快速造血的特殊生态位。

想要研究胎儿肝脏的空间组织性和调节情况，是极具挑战性的，因为这个器官看起来是相当同质的，部分原因是它还没有完全发育。Katz 指出，胎儿肝脏中的这些细胞“一个挨一个地挤在一起”。

但 Wang 却认为，这里面可能蕴含着更多的组织性和调节性，可能比我们所理解的多得多，他还提出，胎儿肝脏中可能存在着一些隐藏的、未被发现的、具有生物学意义的空间信息。

造血干细胞（HSCs）沉于肝脏的“细胞海洋”中。肝脏中只有不到1%的细胞是造血干细胞；它们藏匿于由肝细胞、红细胞祖细胞、内皮细胞、巨噬细胞和巨核细胞所组成的沼泽中。

有迹象表明，造血干细胞会受到附近细胞释放的信号分子的影响。而对于理解哪些细胞（和信号分子）可能会调控造血干细胞的行为而言，空间信息就显得至关重要了。

耶鲁大学研究团队的空间转录组学工作表明，内皮细胞才是真真切切接触造血干细胞的。事实上，Wang 和Katz 正在探究是否每个 HSC 都与内皮细胞直接接触。他们还计划分析造血干细胞的一些特征（分化和增殖能力），是如何由它们邻居（内皮细胞）的基因表达谱决定的。

MERFISH 技术相对于其他空间转录组学技术的一个优势，是其令人印象深刻的空间分辨率。Katz 指出，MERFISH 技术的另一个优势，是能够检测表达水平较低的基因。在胎儿肝脏的研究中，这是“决定性的”，因为转录因子的表达水平很低，如果使用的是基于测序的方法，它们很可能会被遗漏。

Katz 和 Wang 现在有大量的数据可以利用，这使他们能够在这个体系中探索更多的生物学问题，比如胎儿肝细胞类型的空间排列、优先相邻关系，以及潜在的配体和受体关系。

图.Vizgen 公司的 MERSCOPE 平台，是一种能够实现 MERFISH 技术的自动化系统，它以单分子分辨率在整个组织切片上对转录组进行空间分析，从而实现单细胞空间转录组学分析。利用 MERSCOPE 平台对结肠癌组织样本进行检测，通过对样本中 418 个基因的表达进行描绘，以揭示整个肿瘤切片的分子和细胞组成。

澳大利亚加文医学研究所肿瘤进展实验室主任 Alex Swarbrick 博士解释说，大多数人认为癌症是“一堆杂乱无章、胡乱排列的细胞”。此外，宿主细胞通常被认为是“相当被动”的旁观者，但事实并非如此。

免疫肿瘤学表明，宿主细胞是癌细胞行为的重要决定因素，这在一定程度上推动了研究人员将注意力集中在空间转录组学将发挥重要作用的组织上。

Swarbrick 断言，空间转录组学不仅仅可以揭示位置。利用空间转录组学技术，研究人员可以研究细胞与细胞之间的关系；它们在肿瘤中的位置；以及这些细胞群如何参与疾病的发病，如何对治疗做出反应，以及如何反映它们的转移倾向。

空间转录组学可以深入地描绘细胞的表型，并确定细胞的状态。例如，空间转录组学可能会揭示，在肿瘤组织中，T 细胞位于成纤维细胞的旁边，并且这种 T 细胞处于枯竭的状态，可能在与成纤维细胞相邻时表达某些受体。这种技术手段提供了一个新的维度，允许科研人员对更细致的假设进行验证。

在 Swarbrick 实验室里，空间转录组学的应用非常广泛。到明年，他的团队将利用10x Genomics 公司的Visium 平台和 Nanostring 公司的 GeoMX 数字化空间分析系统，进行更多的空间转录组学研究，并且不仅仅聚焦于单细胞方面的工作。

他们的大部分研究，是在福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）的人体组织上进行的，而上述这两个平台在 FFPE组织的研究上，都具有强大的性能。但为了实现更高的细胞分辨率，Swarbrick 实验室的成员也在不断尝试一些其他的平台。

Swarbrick 实验室专注于乳腺癌研究，他们正试图了解转移性癌症的生态系统，以及它们如何影响转移性癌症的行为。机体不同部位的转移性病变，对治疗的反应截然不同，对此，他们也提出了一些问题：例如，肝脏和肺部的转移性癌症的生态系统，有何不同。

“细胞生态系统”的概念，指的是细胞之间的相互作用会决定细胞的表型，这在癌症基因组学中被很大程度地忽略了，尽管有种种迹象表明癌症中有“细胞生态系统”的存在，比如肿瘤边沿的细胞与肿瘤中心的细胞看起来迥然不同。

新的空间转录组学数据显示，癌症细胞的表型确实是在空间上有所分别的。Swarbrick 表示，空间转录组学将癌症基因组学和肿瘤微环境领域，融为一体。他说，这个领域多年来一直在等待的就是这项技术。

大脑是一个具有精密组织结构的重要器官。加州大学洛杉矶分校 David Geffen 医学院生物化学助理教授Aparna Bhaduri 博士，对发育中的人类大脑结构-功能关系的信息很感兴趣，她希望能够利用空间转录组学，来揭示更多的相关信息。

Bhaduri 在加州大学旧金山分校神经学教授 Arnold Kriegstein 的实验室里完成了博士后工作，她当时研究的是发育中的人类大脑皮层。利用 scRNA-seq 和空间转录组学技术，Bhaduri 描绘了一个发育中的人类大脑皮层图谱。

同样是发育中的大脑，人类的尺寸要比小鼠的尺寸大得多。与使用共聚焦显微镜成像相比，使用空间转录组学要快得多。在 Esper 平台的帮助下，Bhaduri 能够同时分析 8 张大脑切片，Esper 是 Rebus 生物系统公司出售的一款基于合成孔径光学的空间转录组学平台。

每张切片的成像时间约为 48 小时。快速是 Esper 平台的特点之一，这可能特别适用于那些想要研究神经退行性疾病的研究人员，因为这一类工作需要对大脑的不同部位进行快速成像。

但 Bhaduri 也面临着一个大问题：空间转录组学是否该成为她未来研究项目的主要部分。

她指出，她新建立的研究团队，与她以前资金雄厚的实验室之间，存在着无法逾越的资金差异。空间转录组学方面的实验非常昂贵；其中一个成本很高的方面，就是制造探针。目前的价格意味着 Bhaduri 无法将空间转录组学的方法，应用到她的实验室的常规试验中。

空间转录组学面临的另一个挑战是，很难从生物学上对大量的数据进行解释。

Bhaduri 还指出，10x Genomics 公司的 Visium 平台，能够扩展到 FFPE 组织，是振奋人心的。因为加州大学洛杉矶分校储存了大量的癌症组织，这个平台对于分析这些组织，必然是有所裨益的。她表示，她时刻心系 Visium 平台的分辨率，分辨率越接近单细胞水平，她就越兴奋。

她预言道，随着技术的发展，空间转录组学将能够以较低的成本，靶向更多的基因，并且它将成为进行单细胞实验的首选方式，因为该技术也将能够达到单细胞分辨率。

她并不是唯一一个做出这种预测的人。空间转录组学的研究人员一致认为，这项技术在未来将得到更广泛的应用。Wang 预测，空间转录组学平台将像共聚焦显微镜一样普遍。

空间转录组学研究人员正在不断突破，他们已经跳脱出了转录组。利用空间转录组学技术，他们希望可以结合基因组、转录组学和蛋白质组学分析，开发出多组学空间技术。

支持、使用空间转录组学研究人员之间最大的共同点是什么？是他们看到了一个充满无限可能性的未来，并意识到他们正在使用的方法，将把生物学研究带入一个新时代。

原文链接：

https://www.genengnews.com/topics/omics/spatial-transcriptomics-puts-more-biology-on-the-map/

作者｜Julianna LeMieux

编译｜Jessica

审校｜617

编辑｜三木