10x Genomics空间组学技术前沿的代表性用户专访
2025-10-09 来源:怡美通德微信公众号 点击次数:67
绘制生命蓝图：空间转录组学的价值与应用
在多细胞生物中，没有哪个细胞是孤立存在的。每个细胞都受到其周围微环境中其他细胞的影响，它们之间传递的信号决定了各自的功能。
事实上，维持或缺失细胞与组织的空间性，对从阿尔茨海默病、癌症，到自身免疫性疾病和对感染的免疫应答等各类生命活动都具有至关重要的影响。
空间生物学通过揭示细胞类型的整体组织方式、细胞间的相互作用、异质性的空间微环境、新的基因程序、关键的配体-受体信号网络、以及与疾病相关的生物标志物，为我们深入理解这种组织结构提供了前所未有的深刻洞见。
早在20世纪40年代，我们就已经能够在相应的形态学背景下检测生物分子。尽管早期通过免疫组织化学（IHC）和原位杂交（ISH）技术发表的文章证明了空间分析的可能性，但这些方法在可检测靶标的数量和分辨率上都非常有限。
而今天，我们已经可以绘制成百上千个转录本直至整个转录组的图谱，同时达到单细胞乃至亚细胞级别的分辨率。
空间转录组学技术主要可分为两大类：基于成像和基于测序。
例如 Xenium 原位分析方案，是在组织切片内直接对转录本进行标记和成像。
基于测序的技术
例如 Visium 空间分析方案，则是从组织中释放并捕获转录本（或与转录本对应的链接产物），然后再使用测序仪对这些产物进行分析。
究竟哪种方法更适合您，最终取决于您特定的实验问题和需求。
近期，我们针对全球范围内的走在空间组学技术前沿的代表性用户进行了访谈。本期将为您特别介绍在免疫学领域走在前沿的来自中国的研究者——上海市免疫学研究所，上海交通大学医学院的叶幼琼研究员。叶博士分享了空间生物学方法如何帮助她的研究取得突破，讨论了她在选择空间平台时的考量因素，并为初次探索空间转录组学的研究者提供了宝贵建议。
01 请您谈谈实验室的研究重点
我们以单细胞和空间组学数据作为分析基础，整合创新的生物信息学方法、基础实验和临床研究，以评估肿瘤微环境（TME）如何应对免疫治疗。我们开发了适用于单细胞空间组学的新型算法（如Cottrazm），以应对空间肿瘤分析中的挑战。这让我们能够探索TME如何驱动肿瘤进展的动态时空演变并影响治疗效果，重点关注肿瘤边界的组分在免疫逃逸和免疫治疗效果中的作用。这种综合方法让我们能够更好地了解TME与治疗结局之间的相互作用。
Visium HD空间分析鉴定出KRAS突变型结直肠癌样本中的细胞组成。图片来源：叶幼琼实验室
02 您在研究中为什么选择空间转录组学？尽管单细胞转录组学彻底改变了生物学和医学研究，但其主要限制在于无法捕捉空间信息。空间转录组学技术通过对完整组织进行基因表达定量，同时保留转录本的空间定位和分子过程的三维结构，弥补了这一缺陷。我们的研究主要关注肿瘤微环境中细胞的空间分布、细胞间相互作用、调控网络及其对免疫治疗的反应。因此，转录本的空间定位至关重要，这使得该技术成为我们研究中不可或缺的部分。
03 空间分析如何影响您的研究？
2021年我们首次在研究中使用空间转录组学技术，在此之前我们发现SPP1+巨噬细胞和FAP+成纤维细胞在结直肠癌（CRC）组织中的富集程度显著高于周边正常组织。当时，论文审稿人要求我们提供这些细胞类型的空间定位证据，这促使我们使用10x Genomics的Visium平台。我们发现，SPP1+巨噬细胞和FAP+成纤维细胞均位于肿瘤边界，它们在此形成一道促结缔组织增生性免疫排斥屏障（由纤维化结缔组织形成的致密屏障），限制T细胞浸润，进而促进结直肠癌的免疫逃逸。
由于我们的多项研究使用了空间转录组学数据，我们甚至开发出计算工具Cottrazm用于空间肿瘤分析。该工具整合了空间转录组学数据、苏木精-伊红（H&E）组织学图像中的形态学信息，以及单细胞转录组学数据。我们随后用这些数据来勾勒肿瘤边界以及肿瘤组织中的细胞“点”，进而揭示细胞类型特异性的基因表达特征。
最近，我们还利用肿瘤空间组学数据来分析泛癌种微环境特征。该项目致力于将功能富集的差异表达基因定位在特定肿瘤结构，解析TME的细胞组成，鉴定细胞类型特异性基因表达特征，并表征细胞间相互作用。根据这些，我们开发出一个名为SpatialTME的用户友好数据库，支持用户搜索，可视化下载结果。
我们正在开展的多项研究将持续依托空间转录组平台，它不仅提供了关键信息，还加速了研究进程。
为针对结直肠癌的免疫治疗开辟新路径
有些肿瘤对免疫治疗产生应答，而另一些则没有，这背后的原因是什么？Qi等人将结直肠癌患者无进展生存期较短与两种独特细胞类型（FAP+成纤维细胞和SPP1+巨噬细胞）的存在相关联，推断这两种细胞类型可能协同作用。基于Visium测序的分析显示，这两种细胞类型共定位在TME中，且这些区域富含与细胞外基质和胶原纤维结构相关的通路。这种空间洞察对于揭示FAP+成纤维细胞和SPP1+巨噬细胞如何协同促进免疫限制性TME至关重要，使其有望成为未来治疗策略中的理想靶点以改善免疫治疗的应答。
该论文因此入选《Nature Communication》2022年度健康科学领域25篇最佳论文。https://www.nature.com/articles/s41467-022-29366-6
选择哪种空间技术应当始终基于具体的生物学需求，这样才能筛选出能解决研究问题的最适当的空间分析方法。
例如，当我们想要探究TME在治疗前后如何调控治疗效果，但又不清楚哪些细胞或基因是关键的调控要素时，我们会选择Visium HD，它能捕获整个转录组。这与使用预定义基因组合的Xenium完全不同。
然而，随着Xenium等基于成像的空间技术不断扩展其基因组合功能，提供比Visium HD大得多的检测区域，它们对特定应用而言正变得更具吸引力。例如，在处理临床研究样本（如组织芯片）时，我们的目标是同时分析单个检测区域内的数十个样本，那么Xenium等基于成像的空间平台就成了理想选择。它们不仅能减少批次效应，还能降低成本，特别适合大规模研究。
05 对于有兴趣开展空间分析的研究者，您有什么建议或者经验可以分享？正如我在之前的回答中提到的，对于初次涉足空间组学的研究人员而言，最重要的一步是明确您的科学问题。了解每种技术平台的特性至关重要，因为合适的选择应当基于哪种平台能够帮助您实现具体的研究目标。此外，根据现有平台可提供的数据类型来调整实验设计也同样重要。
熟悉您使用的组学技术的独特功能，这一点也同样重要。例如，如果实验需要相邻组织层的空间转录组学以及空间代谢组学或空间蛋白质组学数据，则可能需要相应调整方法（例如使用哪种样本类型）。
在涉及到空间转录组学和空间代谢组学的研究中，使用新鲜包埋的样本至关重要。在这种情况下，使用新鲜样本和Visium HD [WT Panel]分析是最佳选择。然而，如果研究涉及到空间转录组和基于抗体的空间蛋白质组学，那么使用福尔马林固定石蜡包埋样本和Visium HD [WT Panel]分析更为合适。平台的灵活性让研究人员能够根据其研究的特定需求来定制方法，确保获得最佳结果。
06 在空间生物学领域，是否有新的方向或者功能是您特别期待的？
我特别期待未来的技术能够将空间多组学整合到同一张切片或相邻的切片上，包括空间表观基因组学、转录组学、蛋白质组学和免疫组学。我认为，此类多组学技术的成功商业化将让更多实验室能够使用它们，从而大大扩展其在研究中的应用。
此外，我还期待3D空间组学的更广泛应用，这将为我们了解组织内部的复杂相互作用及其空间结构提供更全面的信息，并以前所未有的分辨率推进我们对生物学的理解。
北京怡美通德科技发展有限公司是10x Genomics的官方授权代理商，代理美国10x Genomics公司生产的Chromium单细胞测序建库系列产品、Visium空间转录组系列产品以及Xenium组织空间原位分析系统，提供仪器配套的试剂耗材供货、产品演示实验、产品安装、使用培训以及售前售后技术咨询、生物信息学分析等相关技术服务。
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