空間轉錄組學在人類疾病臨床研究中的應用案例（下）

空間轉錄組學（ST）在人類疾病中的潛在應用是臨床和轉化醫(yī)學的重要問題之一，包括神經學、胚胎發(fā)育、腫瘤學和炎癥學。因此，明確的臨床目標、設計、采樣程序和方案的優(yōu)化、ST的可重復性以及分析和解釋的簡化是將ST轉換到臨床的關鍵。

上期為大家?guī)�來�?篇空間轉錄組學在神經學中的應用案例，本期推送繼續(xù)為大家?guī)�來空間轉錄組學在病胚胎發(fā)育中的應用案例及空間轉錄組學應用的研究思路總結。

胚胎和干細胞譜系是探索組織模式和相應分子調控回路的范例。帶有scRNA-seq的ST為剖析胚胎發(fā)育過程中細胞組織的分子動力學、形態(tài)學和分子特性的差異以及譜系分配開辟了新的途徑。

案例一

人類胚胎心臟細胞類型、細胞類型分布和空間組織的綜合轉錄圖譜揭示了4.5-5周、6.5周和9周后的三個發(fā)育階段。使用Seurat進行數據處理，三個人類胚胎心臟樣本的ST曲線顯示了人類胚胎心臟發(fā)育過程中約3115個spot和10個心肌亞群。從約69個選定的靶基因中獲得了104個細胞類型、轉錄組和人類心臟發(fā)育時空圖譜。心臟胚胎組織的scRNA-seq分析產生了三種類型的心肌細胞、兩種類型的內皮細胞和四種類型的成纖維細胞樣細胞。通過結合ST、scRNA-seq和GO富集分析，它能夠更好地識別組織中每種細胞類型、心臟細胞類型特異性基因和相互作用網絡的位置分布和基因標記。這樣的人類胚胎心臟圖譜使科學家能夠充分利用寶貴的資源、細胞間通訊和譜系發(fā)育。

心臟胚胎組織的scRNA-seq分析顯示三種類型的心肌細胞，兩種類型的內皮細胞和四種類型的成纖維細胞樣細胞。空間轉錄組結合scRNA-seq揭示了每種細胞類型的位置分布和基因標記。結合scRNA序列和空間異質基因組中的差異表達基因，篩選細胞類型和基因。

心臟細胞類型特異性基因和蛋白質相互作用網絡的GO富集分析

案例二

通過使用10×GenomicsVisium和Space Ranger軟件，展示了人類腸道發(fā)育和形態(tài)發(fā)生的時空圖譜。在這項特定的研究中，從代表不同發(fā)育時間點和組織位置的17個胚胎中收集了77個腸道樣本，并根據關鍵標記基因的精細聚類注釋在隔室中確定了101個亞群。轉錄調控網絡的定位和示例如下圖所示，以突出顯示每種細胞類型的關鍵調控網絡，并使用scRNA-seq重建細胞命運的“決策樹”，包括已知的發(fā)育調控因子、306個發(fā)育時程和44個調控網絡的位置變化。對整個腸道發(fā)育過程中的組織進行ST分析，發(fā)現(xiàn)了scRNA-seq識別亞群的時空位置、上皮隱窩絨毛的形成、間充質的分化、肌肉層的建立、血管系統(tǒng)的擴張、免疫定植和腸道相關淋巴組織的出現(xiàn)。每種類型的細胞都有特定的基因標記，其中一些在基因表達、腸細胞類型特定基因和相互作用網絡方面存在位置和時間點差異。這項特殊研究的杰出發(fā)現(xiàn)為理解新生兒疾病和腸道發(fā)育的遺傳缺陷提供了新的見解。

以單細胞分辨率對人類腸道發(fā)育進行的時空分析確定了九個腸道分區(qū)，包括上皮細胞、成纖維細胞、內皮細胞、周細胞、神經細胞、肌層、間皮細胞、肌成纖維細胞和免疫細胞。每種類型的細胞都有特定的基因標記，其中一些在基因表達上存在位置和時間點差異。FABP1在上皮細胞中特異表達，在結腸中過度表達。HMGA2、MYH11和PHOX2B在結腸和回腸末端持續(xù)表達。確定腸道細胞特征基因，其在每種細胞類型中表現(xiàn)出特定的關鍵基因表達。

腸道細胞類型特異性基因和蛋白質相互作用網絡的GO富集分析

空間轉錄組學應用的工作流程總結

(a) 空間轉錄組學技術主要用于解決疾病的空間異質性、生物空間轉錄組圖譜和胚胎發(fā)育空間藍圖。四種ST技術包括微切割基因表達、原位雜交、原位測序和原位捕獲。根據不同的樣品特征和需要，使用不同的技術，并使用各種生物工具進行分析。

(b) 腫瘤微環(huán)境模擬圖。ST技術有助于了解腫瘤細胞的空間位置、基因表達以及微環(huán)境中細胞間的分子通訊。例如，肺組織中的H&E染色提供樣本病理信息和評估樣本質量，并進一步整合細胞分組和位置信息分析，如基底細胞、杯狀細胞、纖毛細胞、肺泡上皮細胞1型、2型和其他細胞，以便更好地理解細胞微環(huán)境中的分子通訊機制。

總結

隨著新ST技術的快速發(fā)展，數據采集不斷改進，ST分辨率、靈敏度、吞吐量和可訪問性方面的挑戰(zhàn)正在被克服。ST與石蠟包埋組織相容，提供了對生物庫中采集的樣本進行回顧性分析的可能性。這將有可能系統(tǒng)地檢測各種組織并重建生物體的三維空間結構基因表達。改良的ST將使我們進一步了解生物體的發(fā)育過程，并為臨床醫(yī)學中的早期疾病檢測和精確的靶向治療提供基礎。ST與多種技術的聯(lián)合應用將需要滿足臨床需求。因此，我們相信，持續(xù)提高ST段分辨率和單細胞分辨率的敏感性將有利于臨床實踐和改善患者預后。

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