Science最新綜述解讀：空間組學(xué)技術(shù)的原理、優(yōu)勢(shì)與展望
導(dǎo)讀
幾乎所有看似無(wú)限復(fù)雜的生物學(xué)都發(fā)生在三維空間中。在生物體內(nèi)，細(xì)胞必須在三維組織中相互作用和組合，每個(gè)細(xì)胞的位置與其固有性質(zhì)一樣重要，決定著組織的功能或疾病的功能障礙。因此，即使在研究簡(jiǎn)單生物體或單個(gè)組織的結(jié)構(gòu)時(shí)，不僅需要破譯成千上萬(wàn)個(gè)細(xì)胞的分子譜，還需要了解空間環(huán)境如何以及造成怎樣的影響。近年來(lái)，隨著多重空間分子檢測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新爆發(fā)，生物學(xué)研究開(kāi)辟了新的篇章，使人們能夠進(jìn)一步了解生命系統(tǒng)的復(fù)雜性。
空間組學(xué)是繼單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)之后的又一個(gè)生物技術(shù)研究熱點(diǎn)，其能夠彌補(bǔ)單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)無(wú)法獲取細(xì)胞空間分布信息的缺陷�？臻g組學(xué)技術(shù)主要研究細(xì)胞在組織樣品中的相對(duì)位置關(guān)系，用于揭示細(xì)胞空間分布關(guān)系對(duì)疾病的影響，主要檢測(cè)蛋白質(zhì)及其修飾或mRNA。雖然空間組學(xué)技術(shù)存在成本高、耗時(shí)長(zhǎng)等局限，但目前這一新興技術(shù)已為多個(gè)領(lǐng)域提供了大量新見(jiàn)解，包括動(dòng)物發(fā)育和大腦結(jié)構(gòu)以及與患者預(yù)后相關(guān)的腫瘤微環(huán)境（TME）的特征。
近日，英國(guó)癌癥研究中心（CRUK）劍橋研究所的研究團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)表了綜述文章“The dawn of spatial omics”，系統(tǒng)地介紹了空間組學(xué)技術(shù)的豐富種類(lèi)，闡明了其原理、優(yōu)勢(shì)和局限性，并就這一領(lǐng)域目前面臨的挑戰(zhàn)提供了觀點(diǎn)和建議。
質(zhì)譜流式細(xì)胞術(shù)
在過(guò)去20年間，通過(guò)免疫組織化學(xué)（IHC）和原位雜交（ISH）技術(shù)，人們已經(jīng)能夠?qū)M織進(jìn)行原位檢測(cè)。近年來(lái)，科研人員開(kāi)發(fā)了“質(zhì)譜流式細(xì)胞術(shù)（MC）”（圖1），其將流式細(xì)胞技術(shù)與質(zhì)譜分析技術(shù)結(jié)合在一起，使用穩(wěn)定的重金屬同位素（主要是鑭系元素）代替熒光基團(tuán)來(lái)標(biāo)記抗體，并利用質(zhì)譜來(lái)定量同位素標(biāo)簽。
MC技術(shù)可在單細(xì)胞水平同時(shí)對(duì)50種參數(shù)進(jìn)行分析，包括蛋白質(zhì)、核酸和小分子等，信噪比（SNR）非常高，但其目前受到足夠純金屬可用性的限制。此外，該方法也是兩種空間成像技術(shù)的基礎(chǔ)，即成像質(zhì)譜細(xì)胞術(shù)（IMC）和多重離子束成像（MIBI）。
圖1.基于多重抗體檢測(cè)的空間蛋白質(zhì)組學(xué)方法。
基于激光顯微切割的轉(zhuǎn)錄組學(xué)
顯微切割技術(shù)是指通過(guò)物理分離從特定區(qū)域純化生物分子，即對(duì)欲選取的材料（組織，細(xì)胞群，細(xì)胞等）進(jìn)行切割分離并收集用于后續(xù)研究的技術(shù)，是為分子譜分析添加空間信息的簡(jiǎn)易方法，也是空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)（ST）的重要技術(shù)。顯微切割能夠提供非常深入的分析，幾乎可達(dá)到批量測(cè)序水平，并允許科研人員將目標(biāo)區(qū)域從單個(gè)細(xì)胞擴(kuò)展到整個(gè)區(qū)域，但其通量相對(duì)較低。
目前，應(yīng)用最廣泛的顯微切割技術(shù)是激光捕獲顯微切割（LCM）。LCM通常用于分離小區(qū)域（數(shù)十到數(shù)百個(gè)細(xì)胞）以進(jìn)行RNA測(cè)序（RNA-seq），并且可以達(dá)到單細(xì)胞分辨率。LCM的優(yōu)勢(shì)包括廣泛的轉(zhuǎn)錄譜、精確的組織切片以及能夠與FFPE組織兼容，但難以擴(kuò)展到更大數(shù)量的樣本，并存在潛在的RNA降解問(wèn)題。
圖2. 空間選擇和剖析方法。
基于圖像的原位轉(zhuǎn)錄組學(xué)
單分子熒光原位雜交（smFISH）可以同時(shí)檢測(cè)多個(gè)RNA，被認(rèn)為是RNA定量方法中的“金標(biāo)準(zhǔn)”。smFISH可以檢測(cè)到低豐度的轉(zhuǎn)錄本，由此衍生的空間分析技術(shù)往往具有優(yōu)異的靈敏度。循環(huán)雜交方法（osmFISH、seqFISH）是smFISH的衍生方法（圖3），這是一種將組織中的單個(gè)mRNA分子分解為亞衍射熒光點(diǎn)的技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，循環(huán)雜交需要將多個(gè)探針與相同的mRNA分子進(jìn)行結(jié)合，或是需要多個(gè)熒光團(tuán)結(jié)合到一個(gè)小區(qū)域以產(chǎn)生信號(hào)，或是兩個(gè)探針在幾個(gè)核苷酸距離內(nèi)同時(shí)結(jié)合以觸發(fā)信號(hào)擴(kuò)增過(guò)程。
多重容錯(cuò)性熒光原位雜交（MERFISH）和seqFISH+技術(shù)是目前兩種主要的基于雜交的原位轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法。兩種方法通過(guò)結(jié)合寡聚抗體同時(shí)檢測(cè)mRNA和蛋白質(zhì)，可達(dá)到全轉(zhuǎn)錄組水平，并成功應(yīng)用于不同器官和組織的空間基因表達(dá)研究。兩者在靈敏度、通量和優(yōu)缺點(diǎn)方面非常相似，但在流程操等方面存在一些技術(shù)差異。
圖3. 基于圖像的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法。
基于空間條形碼的轉(zhuǎn)錄組學(xué)
與基于圖像的原位轉(zhuǎn)錄組技術(shù)不同，基于空間條形碼（Spatial barcoding）的方法允許在整個(gè)轉(zhuǎn)錄組水平上對(duì)有 RNA 的物種進(jìn)行無(wú)偏倚測(cè)序。空間條形碼技術(shù)是通過(guò)使用空間條形碼寡核苷酸陣列捕獲組織RNA，將RNA序列及其空間位置關(guān)聯(lián)起來(lái)（圖4）。具體而言，在空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)中，使用微陣列技術(shù)將有序的寡核苷酸陣列沉積在玻璃載玻片上；然后將薄的組織學(xué)切片放置在陣列上，通過(guò)滲透使細(xì)胞RNA擴(kuò)散到條形碼寡核苷酸；并在原位逆轉(zhuǎn)錄以產(chǎn)生空間索引的cDNA，然后將后者擴(kuò)增產(chǎn)生文庫(kù)并進(jìn)行測(cè)序。
空間條形碼技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是能夠產(chǎn)生長(zhǎng)測(cè)序reads，不依賴于復(fù)雜的成像儀器，具有高速度以及并行化的潛力，極大地促進(jìn)了商業(yè)應(yīng)用。目前，空間條形碼技術(shù)與批量測(cè)序相結(jié)合非常成功，但該技術(shù)仍存在一些不足，包括低分辨率（目前為50-100μm）、每個(gè)樣品的成本高以及RNA捕獲效率低。
圖4. 空間條形碼方法。
空間組學(xué)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)
數(shù)據(jù)采集通常被認(rèn)為是空間組學(xué)方法中最困難的步驟，此外數(shù)據(jù)操作、分析和可視化同樣重要。其中，圖像配準(zhǔn)是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，巨大的數(shù)據(jù)量使空間分析變得更加復(fù)雜。目前，大多數(shù)圖像配準(zhǔn)方法采用易于識(shí)別的“基準(zhǔn)地標(biāo)”（熒光珠）作為特征來(lái)計(jì)算配準(zhǔn)矩陣（圖5），這使得配準(zhǔn)更容易，但代價(jià)是需要額外的實(shí)驗(yàn)處理。
此外，大多數(shù)轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法需要解碼步驟，這些處理流程需要量身定制，以考慮每種技術(shù)或顯微鏡特有的扭曲和畸變，因此很難標(biāo)準(zhǔn)化和優(yōu)化。
圖5. 空間剖面數(shù)據(jù)集的分析工作流程。
展 望
空間組學(xué)領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：1）多組學(xué)，即同時(shí)檢測(cè)不同的參數(shù)（如 DNA、RNA 和蛋白質(zhì)）；2）增加獲取和普及性，使技術(shù)變得更容易獲得、更可靠、更強(qiáng)大；3）改進(jìn)分析框架。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，需要對(duì)數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)給予更多關(guān)注。空間組學(xué)技術(shù)已經(jīng)可以在單次實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生數(shù)太字節(jié)（TB）的數(shù)據(jù)，這給數(shù)據(jù)處理、分析和可視化帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。
結(jié) 語(yǔ)
綜上所述，空間組學(xué)被廣泛認(rèn)為是生命科學(xué)的新前沿，有望改變生物學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域，并通過(guò)同時(shí)檢測(cè)物理組織結(jié)構(gòu)和分子特征來(lái)徹底改變病理學(xué)。雖然該領(lǐng)域在過(guò)去的5年里發(fā)展迅猛，但仍然面臨一些挑戰(zhàn)：進(jìn)入技術(shù)壁壘，穩(wěn)健性、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及最佳分析實(shí)踐不明確，以及缺乏標(biāo)準(zhǔn)化。該綜述中，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)介紹了不同的空間組學(xué)技術(shù)，全面闡述了其優(yōu)勢(shì)及局限性，并給出了合理的建議。
參考文獻(xiàn)：
Dario Bressan, Giorgia Battistoni, Gregory J. Hannon. The dawn of spatial omics. Science(2023).
DOI: 10.1126/science.abq4964
原文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq4964
來(lái)源：測(cè)序中國(guó)
標(biāo)簽：
空間組學(xué)
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