空间基因组学：小细节展现大图像

关于细胞，我们知道的东西有很多。人们已使用显微镜等可视化技术对组织的多细胞结构进行了深入研究。同样地，他们还对细胞内DNA、RNA和染色质等成分的结构和构象进行了广泛探索。这些信息有助于评估基因表达的变化和细胞的功能，并且能够与疾病状态和进展相关联。

然而，我们不知道的东西也有很多。人们还无法将细胞甚至组织中的基因组和转录组信息与空间位置一一对应。常规工具无法有效地捕获这些信息，因此，细胞机制中的一些重要细节在研究过程中丢失了。

为了填补这一知识空白，空间基因组学和空间转录组学在这两年快速发展，其分辨率已降至单细胞水平。在过去的一年中，随着高通量的多重检测平台的推出，这一领域出现了爆炸式增长。同时，空间基因组学还得益于荧光原位杂交（FISH）、活细胞成像、基因组扰动工具和大规模并行测序等技术的发展。

10x Genomics公司的研发副总裁Michael Schnall-Levin博士称：“我们的Visium空间基因表达技术让研究人员能够保留细胞之间的空间关系，揭示正常组织和患病组织的生物学结构，从而不仅在单细胞水平上提供信息，还在组织水平上提供信息。”这种技术具有很高的灵敏度，能够同时分析组织切片中的数十万个细胞。

小细节展现大图像

尽管是基因组学领域的新生力量，但空间基因组学的应用似乎十分多样化。一些研究表明，在免疫肿瘤学、神经科学、心血管疾病和传染病研究等领域，空间基因组学都能够促进科研和临床发展。

“我们的Visium空间基因表达技术与组织和物种无关，因此适合在健康组织和患病组织上开展的多个应用。研究人员可利用它来查看肿瘤异质性、组织形态、组织发育的机制以及对治疗干预的反应，”Schnall-Levin谈道。

基因组空间模式的差异可作为某些疾病的诊断标志物。近期发表在《Nature》杂志上的一些研究（Cabrita et al, 2020；Helmink et al, 2020）表明，人们可利用空间技术来研究与肿瘤相关的三级淋巴结构，从而有望改善黑色素瘤的免疫疗法和患者生存率。三级淋巴结构（tertiary lymphoid structure）是在慢性炎症和肿瘤发生过程中在非淋巴组织形成的异位淋巴器官，其结构和功能类似于淋巴结和脾脏等二级淋巴器官。

Nanostring Technologies公司的营销副总裁Anna Berdine表示：“许多研究的重点是解析免疫系统与肿瘤之间的相互作用，从而了解疾病进展和治疗反应。这些研究帮助我们了解患者对检查点疗法的免疫反应，以便指导生物标志物的开发。”

神经科学家正使用单细胞基因组学和转录组学来研究和了解神经组织结构。美国国立卫生研究院（NIH）也启动了BRAIN计划，利用空间转录组学来进行疾病诊断。最近，研究人员还利用空间技术来了解新冠病毒（SARS-CoV-2）感染患者的机制以及在肺、脑和心脏组织产生的免疫反应。

原位测序（ISS）能够直接在组织中进行数百个基因的测序，从而保留空间信息。这种技术在组织中的原始位置连接基因特异性的探针，而探针上包含了条形码序列，以此来实现原位测序。瑞典公司Cartana目前已将原位测序技术商业化。它提供样本制备试剂盒以及可定制的基因检测板和经过优化的解码试剂。

Cartana的联合创始人及研发负责人Malte Kühnemund博士表示：“我们新近开发的原位技术让研究人员能够分析新鲜/固定的冷冻样本或福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）样本，并快速建立数百个基因的单细胞基因表达谱。”

“从FFPE组织中获取高度多重的信息，这种能力尤为重要，因为它可以解锁全球生物样本库中的数百万个样本，”Berdine解释说。NanoString的GeoMx™ 数字化空间分析系统是一个快速的在组织原位对多重靶点（RNA或蛋白）进行分析的平台。它能够对FFPE组织进行分析，带来可重复的基因表达结果，并对数十种蛋白质进行定量分析。

空间研究中的挑战

尽管前景广阔，但空间基因组学的应用无疑也存在着一些挑战。例如，对某种疾病状态的生物标志物进行鉴定和验证，将测序数据与成像读数进行合并，观察组织切片的表型，准确捕获细胞状态并鉴定该细胞在组织微环境中的作用，这些应用都存在一些限制。

随着空间基因组学和转录组学的新应用不断涌现，人们需要扩展检测数量和分析工具，让这种分析更加经济，更加高效，且无偏倚。同样地，空间背景下的分辨率、规模和信息种类也需要提高。

Berdine补充说：“我们还需要重复可靠的检测和标准化的方案，让空间基因组学可在各种实验室环境中实施，并促成不同实验室和不同时间点生成的数据集的交叉比较。”

为了更好地在临床转化研究中评估空间细胞关系，10x Genomics近日建立了Visium临床转化研究联盟（CTRN），这个联盟由45位全球成员组成，他们主要从事肿瘤学、免疫肿瘤学、神经科学、传染病、炎症、纤维化等研究。

10x Genomics的Visium空间基因表达解决方案能够在多个方面推动临床转化研究，比如鉴定出基因特征以便发现生物标志物，评估靶点抗原的表达以促进免疫细胞治疗，并改善临床试验的患者分层。“单细胞和空间分析是两项重要的技术，让我们能够从生物学角度更好地认识人体中40万亿个细胞的复杂性，”Schnall-Levin说。

（作者：Tanuja Koppal / 生物通编译）