空间转录组学（华大Stereo-seq）

空间转录组学：华大Stereo-seq技术核心检测项目详解

空间转录组学(Spatial Transcriptomics, ST)正深刻改变我们对生命复杂性的理解。它突破了传统单细胞测序的局限，让我们能在组织原位精确绘制基因表达图谱，揭示细胞功能、细胞间互作与组织结构之间的空间关系。在众多技术中，华大智造(MGI)的Stereo-seq (SpaTial Enhanced REsolution Omics-sequencing) 凭借其亚细胞级超高分辨率(可达500nm)和大视场覆盖两大核心优势，成为该领域的标杆技术。本文将聚焦Stereo-seq的核心检测项目，深入解析其强大能力。

Stereo-seq技术核心检测能力：揭示组织空间的分子密码

Stereo-seq的核心价值在于其无与伦比的空间解析能力。其技术基础是DNA纳米球(DNB)阵列芯片和原位捕获与测序。该技术可同时检测数万至数十万个组织位置点(spots)，每个位置点代表一个微小空间区域，并包含该区域内众多细胞的mRNA信息。以下是Stereo-seq技术能完成的核心检测项目：

1. 超高分辨率空间基因表达图谱绘制：

   • 核心检测： 精确检测组织切片中数万个基因(甚至全转录组) 在每个空间坐标点(spot) 的表达丰度。
   • 产出：
     • 基因定位图： 直观展示单个或多个目标基因在组织中的具体空间位置分布(如下图)。例如，精确显示肿瘤组织中癌基因、免疫检查点基因、内皮标记物等的表达热点区域。
     • 基因表达模式识别： 识别具有特定空间表达模式的基因模块，如仅在特定细胞层、特定结构(如生发中心、血管周围)、或特定功能区域(如肿瘤侵袭前沿)表达的基因群。
     • 空间差异表达基因(SpDEGs)分析： 比较不同解剖区域(如肿瘤核心 vs 边缘)、不同病理区域(如坏死区 vs 活跃区)、或不同处理条件下(如治疗前后)的基因表达差异，揭示空间特异的分子变化。

2. 空间细胞类型注释与定位：

   • 核心检测： 基于每个spot内检测到的基因表达谱，利用生物信息学方法(如无监督聚类、参考图谱映射) 推断该spot的主要细胞类型组成。
   • 产出：
     • 空间细胞类型图谱： 将推断出的细胞类型映射回组织原位，生成可视化的细胞类型分布图(如下图)。清晰展示不同细胞类型(如神经元、胶质细胞、免疫细胞、肿瘤细胞、基质细胞等)在组织中的精确位置、相对丰度及空间组织模式。
     • 细胞类型空间异质性分析： 识别同一细胞类型在不同空间区域的分子状态差异(亚型或状态)，例如肿瘤内部不同区域的肿瘤细胞异质性，或不同区域免疫细胞的激活状态差异。
     • 稀有细胞类型定位： 利用高分辨率优势，定位组织中稀有的、具有重要功能的细胞(如干细胞、组织特异性免疫细胞、转移灶起始细胞等)。

3. 空间相互作用与微环境解析：

   • 核心检测： 分析不同细胞类型或不同基因表达模式区域之间的空间邻接关系、相互作用和空间组织规律。
   • 产出：
     • 空间邻域分析： 识别频繁共定位或相互排斥的细胞类型组合(如下图)，定义功能性的“细胞邻域”(Cell Neighborhoods)或“生态位”(Niches)。
     • 配体-受体互作空间分析： 在空间上预测并验证不同细胞类型之间潜在的细胞间通讯事件。例如，分析肿瘤细胞表达的配体与其邻近免疫细胞或基质细胞表达的受体是否在空间上共定位，推断免疫抑制或激活信号通路。
     • 空间微环境特征刻画： 综合基因表达、细胞组成和空间结构信息，定义并量化不同组织区域的微环境特征(如免疫浸润型、血管生成型、基质富集型、坏死型等)，并研究其与疾病进展、治疗反应的关系。

4. 空间功能分析与通路富集：

   • 核心检测： 在空间维度上分析基因功能、信号通路活性和生物学过程的分布。
   • 产出：
     • 空间通路活性图谱： 基于特定基因集的表达，计算并可视化关键信号通路(如炎症通路、代谢通路、发育通路、应激反应通路等)在组织不同区域的活性强弱分布。
     • 功能模块空间共定位： 识别在空间上共定位的功能相关基因模块，揭示局部区域的协同生物学功能。
     • 空间动态变化追踪： 结合连续切片或时间序列样本，研究在发育、损伤修复、疾病进展或治疗过程中，基因表达模式、细胞组成和空间结构的动态演变规律。

Stereo-seq的技术优势赋能强大检测

Stereo-seq能实现上述深度检测，离不开其独特的技术优势：

1. 超高分辨率(Subcellular)： 500nm分辨率使其能解析亚细胞结构，精确区分紧密相邻的细胞，甚至捕捉细胞内分子的极性分布，大大提高了细胞类型注释和空间定位的准确性。
2. 厘米级大视场(Cm² FOV)： 单张芯片即可覆盖厘米级大小的完整组织切片(如整个小鼠器官、人类活检/手术样本)，实现真正意义上的“全景”空间分析，避免因视野局限导致的偏差。
3. 高灵敏度与高通量： 能够检测低丰度转录本，并同时捕获数万个空间位点和数万个基因。
4. 兼容性与可扩展性：
   • 多组学整合： 可与华大的其他空间组学技术(如时空组学STOMICS)结合，或与其他空间技术(如空间蛋白组成像、空间代谢组)进行联合分析，提供更全面的分子图谱。
   • 多物种、多组织适用： 已成功应用于小鼠、人、斑马鱼、植物、非人灵长类等多种模式生物和临床样本的多种组织类型(脑、肝、肾、肿瘤、胚胎、皮肤等)。
   • 时间序列分析： 支持对同一组织在不同时间点(如发育阶段、疾病进程、治疗前后)进行采样分析，研究空间动态变化。

核心应用场景：从基础科研到临床转化

Stereo-seq强大的空间检测能力使其在多个领域具有革命性意义：

1. 神经科学： 绘制精细的脑区图谱，解析神经环路的细胞组成和分子基础，研究神经发育、退行性疾病(如阿尔兹海默病、帕金森病)的空间病理机制。
2. 肿瘤生物学：
   • 肿瘤异质性： 深入解析肿瘤内部不同区域的细胞组成、基因表达和微环境异质性。
   • 肿瘤微环境(TME)： 精确刻画免疫细胞、成纤维细胞、血管等与肿瘤细胞的相互作用空间网络。
   • 转移机制： 研究原发灶与转移灶的空间联系，寻找转移起始细胞及其生态位。
   • 治疗抵抗与反应： 识别预测治疗反应或耐药性的空间生物标志物，指导个性化治疗。
3. 发育生物学： 在空间和时间维度上解析胚胎发育过程中细胞命运决定、组织形态发生和模式形成的分子调控网络。
4. 免疫学： 研究免疫器官(如淋巴结、脾脏)的结构和功能分区，解析免疫应答过程中免疫细胞的空间招募、活化和相互作用。
5. 疾病病理机制： 深入理解感染性疾病、炎症性疾病(如IBD、关节炎)、心血管疾病等的空间病理特征。
6. 药物研发与精准医疗：
   • 靶点发现与验证： 在空间层面发现新的疾病相关靶点或验证现有靶点的空间特异性。
   • 生物标志物开发： 挖掘具有空间特异性的诊断、预后或疗效预测标志物。
   • 药物分布与效应： 研究药物在组织中的空间分布及其对局部微环境的调控作用。

结论

华大Stereo-seq空间转录组技术以其亚细胞级超高分辨率和厘米级大视场两大核心优势，为生命科学研究和临床转化提供了前所未有的强大工具。其核心检测能力——包括绘制精细的空间基因表达图谱、精准注释和定位细胞类型、解析复杂的空间相互作用与微环境、进行空间功能分析等——正在深刻改变我们对组织复杂性、疾病机制的理解。从基础神经科学、肿瘤生物学、发育生物学到精准医疗和药物研发，Stereo-seq正推动着生命科学进入一个全新的“空间维度”时代，为揭示生命奥秘和攻克疾病带来无限可能。随着技术的持续优化和应用场景的不断拓展，Stereo-seq必将产出更多颠覆性的科学发现和临床应用成果。

希望这份详解能帮助你深入理解Stereo-seq的核心价值！如果你有特定组织或研究方向的问题，也欢迎继续探讨。