这是《肠道产业》第 469 篇文章
编者按：
基因表达具有时间特异性和空间特异性。时间特异性通常可以通过对不同时间点的样本取材，再使用单细胞转录组测序技术来进行解析。然而，空间特异性信息常常难以获得。常规转录组测序和单细胞转录组测序无法还原细胞所处的原始位置信息，而传统的原位杂交技术又很难实现高通量检测。
不过，近年来兴起的空间转录组学技术或可解决这一难题。已有研究通过使用这一技术分析了结肠直肠癌患者组织区域内的基因表达变化。那么空间转录组技术究竟有何优势？又存在什么挑战？
今天，我们特别编译了发表在 Genetic Engineering & Biotechnology News 杂志上关于空间转录组技术的文章。希望该文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。
NanoString Technologie 公司的 GeoMx 数字空间分析仪可以对取自结直肠癌患者组织的全部区域的基因表达变化进行分析。截至目前，GeoMX 已经可以使用癌症转录组图谱分析 1800 个基因。近日，NanoString 宣布推出全转录组图谱服务，可以提供 18000 多个蛋白质编码基因的准确数据。医学正从非常钝的器械转变为“您能拥有的最精细的手术刀”。哈佛医学院（HMS）遗传学教授 George Church 如此说道，他在评估新的基因组学技术方面非常有经验。Church 在 Wyss 研究所的视频中指出，这种演变引发了对观察工具的需求，以允许研究人员能够“以高水平的分辨率和全面性来进行观察”。Church 指的是最近发展起来的空间转录组技术（spatial transcriptomic technology）。到目前为止，单细胞测序技术，如 RNA 测序（RNA-seq），一直局限于从组织解离的细胞，即从组织中提取的细胞。这种细胞失去了所有的空间信息。空间转录组学为基因表达提供了丰富的空间背景。通过结合成像和测序技术，空间转录组学可以绘制组织上特定转录物存在的位置，从而指示特定基因的特定位点表达。对人类标本中生物学的空间背景的理解一直是我们理解人类疾病的关键，Church 的 HMS 同事、医学博士兼助理教授 David Ting 指出。他补充说，关于组织学的解释仍然是一门艺术，这也使得解剖病理学家对疾病的准确诊断不可或缺。但这些新的空间技术将有助于加强对组织中发生的事情的更深层次的理解，这将适用于生物医学研究的大多数领域。有了空间转录组学，“您不仅可以表征其中的分子，而且可以更进一步地观察细胞之间的相互作用。”约翰霍普金斯大学肿瘤学、应用数学和统计学以及生物医学工程副教授 Elana J. Fertig 博士指出。“我们曾经尝试在癌症生物学中做到这一点，尝试使用激光捕获显微切割技术和大量的 RNA-seq 数据，”Fertig 补充道，“我们对区域进行了切割以进行表征。但这一权宜之计仍然只是对多个单细胞的基因表达数据取了平均值，失去了关于细胞状态转换的细微信息，而这些信息本可以用来说明细胞与细胞之间的相互作用。”现在，可以使用空间转录组学来捕获曾经难以捕获的细微信息。Fertig 解释说：“我们不仅看到免疫细胞在哪里，而且可以看到它们处于什么状态，以及肿瘤与免疫系统之间的相互作用。”她坚称，这是细胞数据和分子基因组学的真正结合，是改善癌症生物学结果所必需的。对于新测序技术的发展，Joe Beechem 博士并不陌生，他是 NanoString Technologie 公司的首席科学官和研发高级副总裁，大约 20 年前，他从学术界进入到工业领域。作为首批下一代测序（NGS）仪器的先驱，Beechem 表示，看到生物学以这些新的方式不断地进行自我改造是一件很有趣的事情。他坚持认为，空间转录组学领域的突破与建造第一批 NGS 仪器的“感觉几乎一样”。他宣称，“如果不是一样厉害的话，那就是更厉害。”研究人员首先进入的是 COVID-19 研究领域，全力以赴以阐明 SARS-CoV-2 病毒对其宿主的影响。其中许多研究人员把目光聚焦到了肺部。为了了解独立于宿主组织区域的变化，一些研究人员转向了空间转录组学。例如，马萨诸塞州总医院的一组研究人员（包括 Ting）使用了空间转录组学等技术，分析 24 名死于 COVID-19 的患者的尸检标本。Ting 指出，这项工作“通过病理学家鉴定的组织学发现，加深了我们对 SARS-CoV-2 感染的理解”。首先，Ting 的小组利用 RNA 原位杂交技术在肺组织中精确定位了病毒的位置。利用 NanoString 公司的 GeoMx 数字空间分析仪，该小组分析了这些区域的转录组和蛋白质组的变化。研究结果与干扰素反应基因和免疫检查点基因的空间特异性表达相符合，证明了 SARS-CoV-2 感染的肺内异质性。据 Ting 介绍，数据显示，含有 SARS-CoV-2 病毒 RNA 的区域产生了明显的干扰素反应，这表明这是对该病毒的主要免疫反应。此外，该区域的蛋白质分析显示，包括 PD-L1、CTLA4 和 IDO1 在内的免疫调节分子上调，这些分子在癌症背景下具有 T 细胞抑制作用。结果已作为预印本“Temporal and Spatial Heterogeneity of Host Response to SARS-CoV-2 Pulmonary Infection”发布在 medRxiv 上。NanoString 的转化科学主任 Sarah Warren 博士表示，GeoMX 可以很好地助力 COVID-19 研究，因为该平台支持使用福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）标本——COVID-19 尸检正在提供这样的样本类型。Warren 断言，空间转录组技术可以让我们真正理解 SARS-CoV-2 对不同器官系统的影响方式的多样性，她强调，“这是任何其他平台都无法做到的”。另一组研究人员正在利用空间转录组学来探测 COVID-19 患者的肺组织。美国国立卫生研究院 COVID-19 科学兴趣小组（SIG）的核心成员 Aviv Regev 博士最近的一次演讲，强调了她的实验室通过进行空间转录组学来了解病毒和宿主之间的关系的工作。Regev 介绍了来自一名 COVID-19 患者气管和左上叶的 FFPE 标本的数据。通过使用 GeoMx 分析 1800 个 RNA 目标，包括被病毒感染的细胞的关键基因，她的团队能够分析和比较 SARS-CoV-2 感染细胞与邻近的未感染细胞的 RNA 表达。雷杰夫称，FFPE 标本的图像是 “可怕的”，因为它们描绘了病毒增殖和蹂躏肺部的侵略性。但她也指出，这种感染 “对一些肺部区域是特异性的，而肺部其他区域并没有受到影响”。这种模式为 SARS-CoV-2 感染提供了线索，可能有助于遏制大流行。当 10x Genomics 推出其单细胞测序平台 Chromium 时，该公司一直在询问客户在单细胞领域的需求。通过在人类细胞图谱会议上与客户交谈，10x Genomics 完全意识到了空间转录组学技术背后的激动人心之处。10x Genomics 的首席科学官兼总裁 Ben Hindson 博士表示，客户反馈使该公司收购了 Spatial Transcriptomics，这是一家瑞典公司，采用了 Hindson 所说的一种不错的、可扩展的方法。随后 10x Genomics 将空间转录组技术整合到 Visium 空间基因表达解决方案中，该产品于 2019 年 11 月开始发售。Hindson 说，此后的应用非常广泛，并且 10x Genomics 正在增强 Visium，以便它可以使用荧光标记的抗体，并检测蛋白质。Hindson 指出，Visium 的一个好处是，无需许多大型设备。它只包含一个显微镜载玻片和一个试剂盒。其中玻片有 5000 个区域，每个区域可以同时捕获 1~10 个细胞的 RNA。此外 Visium 采取了一种无偏见的方法来剖析细胞，约翰-霍普金斯大学的 Fertig 非常欣赏这一点。Fertig 在她的癌症研究实验室中使用 Visium，她是 10x Genomics 公司 Visium 临床转化研究网络（CTRN）的成员，这个新成立的小组（还没有召开第一次 Zoom 会议）是由不同学科的研究院组成的。Fertig 表示，让来自不同领域的研究人员专注于在临床上实施这项技术，真的很令人兴奋。她解释说，各领域存在的共性使得跨学科的“团队科学”成为可能。她补充说，CTRN 给研究人员提供了一个 “在类似的思维空间中思考的机会”，并提出了“将生物发现转化为疗法的新方法”。她强调，CTRN 促进了一种新的研究模式。通常情况下，研究联盟都是围绕着一种常见的疾病展开的。然而，CTRN 的重点是如何推动一项技术使其应用于多种疾病。GeoMX 和 Visium 平台可能使研究人员更容易进行空间转录组实验，但仍然存在挑战。第一个挑战是知道要研究哪些区域。Ting 表示，如果没有进入该区域或专注于研究细胞的方向，几乎不可能确定差异是基于不同位置的相同细胞类型，还是仅由人类固有的多种细胞类型所驱动的。第二个挑战是如何解释越来越多的转录组和蛋白质组数据。同样，在这里，应对挑战是知道如何寻找答案或提出正确的问题。Ting 解释说：“更多的是要知道要在天空中寻找什么星座，而不是凝视整个夜空并试图了解整个星系。”然而，另一个挑战是成功掌握空间转录组学实验所需的技能。从最合适的肿瘤部位获得最佳样本需要专业知识；完成复杂冗长的实验需要专业知识；解释数据也需要专业知识。协调所有这些不同的专业知识可以利用 Fertig 所描述的团队科学方法（team science approach）。她承认，如果科学团队要取得成功，就需要在时间和精力上进行大量投资，因为需要 “不同层次的技能”。然而，她补充说，这些投资是值得的。她强调说，团队合作不仅是一种非常有效的科学方法，而且对取得有利的结果至关重要。一些空间转录组学技术正在开发中。其中一种更加先进的技术被称为荧光原位测序（FISSEQ）。它是由 Church 实验室在 2003 年首次提出的，并在 2014 年于 Science 上发表了一篇论文。该技术在 Wyss 研究所得到了进一步的发展，目前由创业公司 Readcoor 进行商业化，提供基于 FISSEQ 概念的仪器、试剂盒和软件。去年 2 月，Readcoor 在 2020 年基因组生物学和技术进展会议上隆重推出了 FISSEQ 平台。公司代表公开了一个发布计划，甚至还分发了显示 George Church 面孔的T恤。此后，该平台的推出一直被各种事件所阻扰，主要是 COVID-19 大流行所带来的干扰。Readcoor 表示，这场疫情给推广工作带来了阻力，导致公司的安装计划不得不推迟并变得复杂。阻力的大小尚不清楚，因为 Readcoor 没有透露有多少客户仍在等待安装，甚至没有谈到一个更普遍的问题，即购买该平台的客户数量。Readcoor 另一个沉默的地方是其平台的成本。相比之下，NanoString 公司已经售出了超过 125 套 GeoDX 系统（仅安装了 70 多套），每套系统的价格为 30 万美元。但 Readcoor 的科学副总裁 Evan Daugharthy 博士乐观地认为，公司将 “很快就能转危为安，能够向客户提供我们的仪器”。Readcoor 肯定地说，它正按计划在2021年全面推出该平台，实现商业化。Readcoor 不是第一家出局的公司，当然也不会是最后一家。放心吧，Beechem 说，每年都会有多家新公司——他称它们为 “脚踝有伤病的人”——试图在这个领域立足。但 Beechem 提醒道，建立一个平台需要很长的时间。你不仅要有相关的化学工作来创造一个空间平台，还需要将成像平台和测序仪结合起来，这是一个多维度的挑战。他解释说，五年前，他把 90%的时间都花在了构建技术上。但是，无论空间转录组技术的先驱，还是本文提到的新兴公司是否成功，空间转录组学的前景都是深远的。“这可能会引领一个新的时代”，Church 说，因为它能够支持 “宽广空间距离内细胞之间的整体表达和关系的研究”。他指出，当您观察整个场景时，你会发现“没想到的地方”太多了。通过全面的转录本研究，有更大的机会找到某个转录本是致病的因果关键，而在这背后就可能蕴藏着一个治疗方法。在我们庆祝我们的第一张人类基因组图谱完成 20 年之时，似乎空间是基因组学要征服的下一个令人兴奋的前沿。https://www.genengnews.com/topics/omics/spatial-the-next-omics-frontier/
