发育生物学：乘着空间技术的翅膀

近年来，空间生物学技术正在蓬勃发展，为发育生物学家绘制各种组织的高分辨率基因表达图谱提供了新工具。研究人员可利用这些工具来描绘各个细胞类型的空间组成，了解它们在器官形成等发育关键点如何变化。

一张张人类组织图谱的绘制，有助于人们探索控制关键发育事件的调控机制，并进一步了解和预防妊娠并发症。本文将重点介绍发育生物学家们如何利用空间技术来加深我们对人类发育的了解。

利用转录组学绘制组织图谱

空间技术的特别之处在于能够创建组织参照图，从而帮助人们了解细胞类型、细胞命运和组织结构。一些研究人员正在使用Vizgen公司的MERSCOPE®平台，这是一种单细胞空间转录组成像平台，能够原位分析成百上千个基因的表达，描绘不同类型和状态的细胞在各个发育阶段的特征。

最近，加州大学旧金山分校Arnold Kriegstein领导的研究团队绘制出产前和产后阶段人类大脑皮层的空间图谱，包括兴奋性神经元、中间神经元、神经胶质细胞和脑血管（Velmeshev et al, 2023）。Vizgen的科学事务高级主管Jiang He称：“他们的研究成果揭示了大脑皮层正常发育的谱系特异性机制。”

加州大学旧金山分校的另一个团队，由Tomasz Nowakowski领导，利用MERSCOPE平台绘制了人类丘脑发育在孕早期（前三个月）的时空图谱，对区域、细胞类型和标志物基因进行了注释（Kim et al. 2023）。这两项研究成果发表在同一期的《Science》杂志特刊上。

此外，麻省理工学院和怀特黑德生物医学研究所的研究人员也利用MERSCOPE研究了地中海涡虫的细胞命运，揭示了不同细胞类型的空间结构（Park et al. 2023）。”像MERSCOPE这样的空间平台能够建立不同组织中不同细胞类型的参照图谱，有了这样的参照图谱，科学家们就能找出发育疾病中哪一步出错了，”He谈道。

他认为，MERSCOPE的定制功能对发育生物学家特别有意义。“MERSCOPE提供定制基因组合（panel），因此研究人员可以定制他们想要的任何基因组合，以便研究不同的生物学问题，”He说。“在发育生物学中，由于基因表达和细胞类型在病变的整个过程中发生显著变化，因此拥有一个能提供完整解决方案、多重检测能力和高灵敏度的平台至关重要。”

最近，MERSCOPE® 1000 Gene Panel正式发布。它为研究人员提供了更高通量的基因检测，同时保持了高灵敏度、准确性和特异性。

转录组与蛋白质组的相互作用

对于多组学分析，NanoString Technologies公司提供了两个平台——GeoMx® DSP数字式空间分析仪和CosMx™ SMI空间分子成像系统，用于高度多重的空间生物学分析。据NanoString的研究主管Margaret Hoang介绍，这些空间平台可在单细胞分辨率下对整个转录组（18,000多条mRNA）进行定量，或在单次实验中利用500多种抗体进行染色和读取。

Hoang认为，有了NanoString的平台，新一代研究人员能够将高度多重的空间技术作为发育生物学的探索工具。“我们利用GeoMx DSP测试了在小鼠胚胎的器官形成过程中绘制整个转录组图谱的能力，”她说。他们在胚胎发育的四个时间点对九个不同器官内的亚结构进行分析，发现发育转录因子在不同器官内存在差异表达。

同时，NanoString还在空间平台的下游建立了一些很好的分析工具，用于无偏探索发育机制。“InSituCor就是这样一种工具，它能够在空间邻域内发现共表达基因的模块，”Hoang说。

在一项研究异位妊娠的合作研究中，NanoString和发育生物学家使用了多组学方法。他们采用CosMx Wtx panel和InSituCor来分析空间转录组学数据，发现了57个与预期胚胎结构相对应的新基因模块。

“此外，我们还开展了GeoMx多组学分析，从全转录组图谱（WTA）和免疫肿瘤学蛋白质组图谱（IPA）中获得了丰富的数据，”Hoang说。“这让我们有机会了解人类发育过程中转录组与蛋白质组之间的相互作用。”

空间方法 + 单细胞方法

10x Genomics公司的Visium平台和Chromium平台分别支持空间转录组学分析和单细胞分析（也与蛋白质检测兼容）。10x Genomics公司的高级产品营销经理Jyoti Sheldon表示：“通过整合全转录组分析和精确转录本定位，这些平台提供了一张全面的视图，反映人类发育过程中的细胞多样性和相互作用模式。”

Visium是一种强大的发育生物学工具，部分原因在于它结合了全转录组分析和单细胞分辨率。“这种精确性使得研究人员能够揭示组织发育和器官形成背后的复杂相互作用和分化过程，” Sheldon说。“通过绘制发育组织复杂结构下的基因表达谱，Visium捕捉到动态的时空表达模式，这对了解发育过程至关重要。”

剑桥大学的研究人员利用Visium空间转录组学和Chromium单细胞多组学分析，构建了人体母胎界面（子宫-胎盘边界）的单细胞图谱，包括关键的滋养层细胞（Arutyunyan et al, 2023）。这项研究成果发表在《Nature》杂志上。“通过研究相关组织中细胞的空间结构和基因表达模式，科学家们可以确定发育障碍的分子基础，” Sheldon谈道。

有了这张图谱，剑桥大学的研究人员能够分析滋养层细胞分化的整个过程及相关的转录因子。由于滋养层细胞对母体螺旋动脉重塑和发育胚胎的血液供应至关重要，这一过程中的缺陷会导致子痫前期、早产和死胎等严重并发症。

纪念斯隆-凯特琳癌症研究中心的研究人员则利用Visium和Chromium绘制了四到六周人类胚胎的空间转录组图谱，描述了早期器官形成过程中的细胞类型和空间结构（Xu et al, 2023）。这两项研究可以帮助我们了解妊娠早期的人类胎盘并改进体外模型，也有助于预防妊娠并发症的发生。