基因表达实现“3D”可视化，空间转录组学将是单细胞分析之后的又一波热潮

空间转录组学技术自斩获了 Nature Methods 2020 年 “年度技术” 以来，引起更加广泛的关注。这种技术结合了成像和测序技术，能够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。自 2016 年，空间转录组学的概念首次提出以来，这项技术在学术界和产业界蓬勃发展，开启了生命科学基因研究的 “3D 模式”。
2018 年，10X Genomics 出手收购了空间转录组学公司 Spatial Transcriptomics（以下简称 “Spatial”），2020 年，10X Genomics 继续出手收购了空间转录组学公司 Cartana 以及 ReadCoor。
就在 COVID-19 大流行期间，来自马萨诸塞州总医院的多位科学家利用空间转录组学技术揭示了 SARS-CoV-2 病毒对宿主的影响，他们证实了 SARS-CoV-2 病毒感染肺部组织的异质性，并且分析了感染细胞和邻近细胞相关 RNA 的表达。
那么，对于这项仅发展了 4 年的技术，如何接连受到学术界和产业界青睐？
“这可能会引领一个新的时代”
哈佛医学院遗传学教授、基因组学大牛 George Church 曾分享，医学正在从非常钝的器械转变为 “最精细的手术刀”，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”。他所说的观察工具指的就是最近发展起来的空间转录组技术。
目前的单细胞测序技术，比如 RNA 测序，在从组织中提取细胞的过程中会失去所有空间信息。而空间转录组学可以为基因表达提供丰富的空间背景。
“这可能会引领一个新的时代”，George Church 评价道。
利用组织切片进行测序的技术渊源已久，这种方式不仅能够进行大病回溯，还节省了新鲜和速冻样品的收集时间和维护成本。
早在 2009 年，瑞典卡罗林斯卡学院的研究员 JonasFrisén 就在着手研究从组织切片上寻找更多的信息，之后，他和瑞典皇家学院的 Lundeberg 教授合作，两位导师的博士后研究员 Ståhl 和博士研究生 FredrikSalmén 合作的一个项目最终发现了空间转录组学。
这种方式能够在组织切片上显示基因在空间上的表达情况，揭示细胞间的相互作用。
该方法首先将固定的、染色的组织成像，然后进行透化，透化是为了让组织变透明，以得到更高的分辨率。在透化的时候，将组织切片放置在含有探针的载玻片上，通过透化酶处理，细胞中的 mRNA 会释放并结合到相应的捕获探针上，逆转录后进行测序，从而可以获取转录组信息。
最终所有数据处理完后会可视化，这意味着，查看组织切片的图像并选择组织中的不同区域，就可以确定哪些基因在这些区域中表达以及表达多少，即在组织切片上就可以生成完整的基因表达图像。
2016 年，研究人员将研究成果发表在 Science 上，同年，他们成立了 Spatial 公司。
图 | 空间转录组学概念图（来源：10X Genomics）
公司布局热潮
空间转录组学的出现为学术界带来了一股应用热潮，科学家将这一方法应用到了 神经科学、癌症研究、发育生物学、病理学、免疫学等领域，它能够帮助研究人员建立人类和模型生物参考组织图，也能够用于评估遗传变异如何影响组织功能等。
除了上述方式之外，学术界相继开发了多种方式以表征基因表达的空间特异性。
加州理工学院生物工程系 Cai Long 教授发明了 seqFISH 技术，该技术能够在保留其空间背景的情况下直接在单个细胞中鉴定数千种分子，包括 DNA、mRNA 和蛋白质。现在，Cai 也成立了 Spatial Genomics 公司，以商业化 seqFISH。
布罗德研究所的医学博士 Evan Macosko 开发了 Slide-seq 技术，Slide-seq 接近单细胞分析的结果，据 Evan 介绍，Slide-seq 的 mRNA 捕获效率接近 scRNA-seq 技术，但关于 Slide-seq 的商业化还处于早期阶段。
2018 年，10X Genomics 在与客户的交谈中意识到了空间转录组学的潜力，它迅速收购了 Spatial，并在 2019 年 11 月正式推出空间转录组学产品 Visium。Visium 能够达到的分辨率是 1-10 个细胞，能够做到测量上百种基因。
2020 年，10X Genomics 继续出手收购了两家空间转录组学公司 Cartana 和 ReadCoor，对 Visium 进行了补充。
值得注意的是，ReadCoor 的技术源于 George Church 团队发明的原位测序方法，该公司在 A 轮融资的时候就就获得了礼来亚洲、维梧资本、德诚资本的投资，B 轮融资时，获兰亭投资领投。
这两项收购为 10X Genomics 带来了优秀的科学家、技术以及高达 110 项的知识产权，进一步坚定了在空间转录组学方向上的发展。为了能够得到专业的指导，收购后，10X Genomics 依旧与实验室保持联系。
同样在 2019 年，专注于诊断工具开发的公司 nanoString（纳斯达克：NSTG）也推出了空间分辨组织分析的仪器 GeoMx DPS，该设备已在早期试用者中进行了测试，目前，该设备能够捕获超过 22,000 种靶标分子，包括 mRNA 和蛋白质。GeoMx DPS 主要应用于肿瘤学、免疫学、神经科学和发育生物学。
图 | GeoMx DPS 工作流程（来源：nanoString）
下一步：达到单个细胞的分辨率
在 2020 年，空间基因组学和转录组学市场规模达到了 1.638 亿美元 ，空间转录组学的市场占有率达到了 82.2%。根据 Grand View Research，Inc. 最新报告，预计从 2021 年到 2028 年，复合年增长率将达到 11.1％。根据 CB Insights 的数据，在过去 4 年，空间转录组学领域的融资、收购等交易也累计超过了 1 亿美元。
在中国，华大生命科学研究院（BGI Research）也正在开发用于空间位置基因表达分析的方法。
这种方式每个单元能够捕获数百个数据点，借助半导体工业的光刻技术以纳米阵列的形式封装在硅片上，通过芯片和由转录本制成的 DNA 纳米球来进行空间位置的基因表达分析。华大集团首席执行官、华大生命科学研究院院长徐讯透露，该技术预计将于 2021 年发布。
现在，华大已经制造出了用于小鼠大脑空间分析的芯片，该芯片具有 2000 个基因，每个纳米球上可以容纳 4000 个基因转录本。徐讯透露，正在考虑将这一技术用于 mRNA 以外的多组学分析 。
“空间转录组学将是单细胞分析之后的下一波热潮，它对于研究人类疾病非常有用，因为人类疾病通常始于单细胞并在空间上扩散”，卡罗琳学院的生物学家 Sten Linnarsson 教授表示。
因此，达到单个细胞的分辨率将推动空间转录组学进一步发展，“但这还需要很长的路要走”，10X Genomics 的研究与开发高级副总裁 Michael Schnall-Levin 曾表示。
10X Genomics 正在努力实现这一目标，BGI 也正在解决分辨率的问题。根据空间转录组学发明人 Ståhl 的说法：“10μm 应该是最佳选择”。
对于空间转录组学产品的发展，nanoString 的总裁兼首席执行官 Brad Gray 曾在接受媒体采访时表示，市场上将会分为两个工具类别，以高通量观察多细胞区域的诸如 GeoMx 和 Visium 之类的仪器，以及观察细胞和亚细胞分辨率的仪器，这些仪器可能会或可能不会覆盖整个转录组，但一次会覆盖数千个基因。
参考资料：
  • https://www.ebiotrade.com/newsf/2021-1/202118172205972.htm
  • https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.28.969931v1.full.pdf+html
  • https://www.nanostring.com/blog/redefining-precision-why-spatial-resolution-matters/
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