作者，追風(fēng)少年i~
8月了，馬上七夕節(jié)就要到了，在我們民間一直流傳著牛郎織女七夕鵲橋相會的神話傳說，從我記事開始，每次七夕仰望星空，也就見過一次銀河，希望這一次，也有這個福氣。
好了，繼續(xù)我們的空間轉(zhuǎn)錄組分析，空間轉(zhuǎn)錄組（ST）和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組（scRNA-seq）的結(jié)合作為一個關(guān)鍵的組成部分，將人體組織的病理表征與分子改變聯(lián)系起來，確定了原位細(xì)胞間的分子通訊和時空分子醫(yī)學(xué)知識。2022年4月1日Nature子刊《Signal Transduction and Targeted Therapy》發(fā)表綜述文章，概述了ST實(shí)驗(yàn)和生物信息學(xué)方法的發(fā)展，并評估了其臨床和轉(zhuǎn)化應(yīng)用價值。
空間分辨轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)
ST為理解胚胎發(fā)育過程和定義特定發(fā)育器官、早期定位和遷移的關(guān)鍵基因提供了新的見解。與scRNA-seq相比，ST能更好地觀察發(fā)育的細(xì)胞譜系中的細(xì)胞位置和異質(zhì)性。在ST技術(shù)的發(fā)展中，代表技術(shù)包括ProximID、seqFISH+、Stereo-seq、sci-Space、STARmap、10×Genomics Visium、Slide-seqV2、Seq-Scope等。
文中描述了以下基于不同原理的ST技術(shù)，包括TIVA、FISSEQ、seqFISH、LCM、APEX-seq、NICHE-seq、LCM、APEX-seq、NICHE-seq、HDST和DBiT-seq。
空間轉(zhuǎn)錄組的生物信息學(xué)工具
這個已經(jīng)非常多了，
與scRNA-seq聚類方法相比，ST需要對基因表達(dá)、空間位置和組織學(xué)信息進(jìn)行更全面和綜合的考慮。ST的一個關(guān)鍵分析步驟是對斑點(diǎn)進(jìn)行聚類，并確定基因表達(dá)譜和形態(tài)表型在空間上一致的區(qū)域?？臻g聚類方法分析基因表達(dá)的空間相關(guān)性，主要包括SpaCell、SpatialCPie、ClusterMap、FICT、SpaRTaCo、SC-MEB和CCST。
空間變異基因（SVG）的識別對于確定細(xì)胞類型的位置非常重要。隨著ST分辨率的提高，已開發(fā)新的方法來檢測空間可變基因，例如GLISS、SpatialDE、SOMDE、trendsceek或SPADE。
在ST數(shù)據(jù)分析中，可以利用scRNA-seq數(shù)據(jù)推斷出每個點(diǎn)的細(xì)胞類型分布。為分析空間數(shù)據(jù)設(shè)計了多種細(xì)胞類型去卷積方法，如SPOTlight、spatialDWLS、DSTG、DestVI或STRIDE和RCTD。
對于缺乏單細(xì)胞分辨率的ST數(shù)據(jù)，每個點(diǎn)可能包含不同的細(xì)胞類型。通過參考鄰近斑點(diǎn)的信息或具有細(xì)胞形態(tài)和表型的高分辨率信息的圖像，可以提高分析的質(zhì)量。提高基因表達(dá)分辨率的工具包括BayesSpace和XFuse。
細(xì)胞-細(xì)胞通訊調(diào)節(jié)各種生物過程，以維持器官/組織內(nèi)細(xì)胞的生物功能和微環(huán)境穩(wěn)態(tài)。配體-受體對用于探索組織內(nèi)不同細(xì)胞類型之間以及同一細(xì)胞類型內(nèi)不同細(xì)胞之間的scRNA-seq通信，而ST則提供空間水平上的細(xì)胞間通信信息。已開發(fā)了許多工具來識別細(xì)胞間通信，包括GCNG和SVCA。
ST在發(fā)育和疾病方面的應(yīng)用潛力
ST主要用于揭示人和小鼠在神經(jīng)科學(xué)、胚胎發(fā)育和病理學(xué)領(lǐng)域的細(xì)胞連接的全面信息、不同細(xì)胞類型之間的復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞異質(zhì)性和微環(huán)境穩(wěn)態(tài)。此外，在斑馬魚、紅原雞、野豬、倉鼠和果蠅中繪制了一些組織的ST圖譜。
ST被廣泛用于分析組織的分子空間結(jié)構(gòu)，并在臨床和生物學(xué)研究中創(chuàng)建生物分子圖譜。例如使用Slide-seq技術(shù)，以單細(xì)胞分辨率捕獲并生成小鼠和人類受試者的空間基因表達(dá)模式。STARmap分析了3D大腦空間的復(fù)雜性，在小鼠初級視覺皮層的30000多個細(xì)胞中使用了23個細(xì)胞類型標(biāo)記。生物體的胚胎發(fā)育是一個復(fù)雜而動態(tài)的過程，其中的表達(dá)圖譜和分布由ST繪制。
ST的另一個重要應(yīng)用是研究腫瘤內(nèi)的異質(zhì)性，以精確了解腫瘤進(jìn)展和治療結(jié)果。例如通過分析鄰近腫瘤區(qū)域間質(zhì)腫瘤微環(huán)境中的基因表達(dá)梯度，對前列腺癌的腫瘤異質(zhì)性進(jìn)行重新分層。通過淋巴結(jié)活檢對黑色素瘤中近2200個組織結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行研究，以可視化組織內(nèi)的轉(zhuǎn)錄景觀，并確定特定組織區(qū)域的基因表達(dá)譜。ST結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)從乳腺癌ST數(shù)據(jù)中識別診斷生物標(biāo)志物，以區(qū)分導(dǎo)管原位癌和浸潤性導(dǎo)管癌。導(dǎo)管癌的預(yù)測準(zhǔn)確率為95%，浸潤性導(dǎo)管癌的預(yù)測準(zhǔn)確率為91%。最近的ST保留了組織結(jié)構(gòu)，并通過分析細(xì)胞間的相互作用反映了免疫反應(yīng)。在靶向治療期間，癌癥患者需要快速準(zhǔn)確地識別耐藥克隆和空間敏感生物標(biāo)記物，以預(yù)測對免疫治療的反應(yīng)。ST將為早期檢測組織內(nèi)的基因表達(dá)和細(xì)胞相互作用提供機(jī)會，但是精確腫瘤學(xué)中細(xì)胞的精確分辨率和靈敏性需要進(jìn)一步提高。
神經(jīng)病學(xué)中的ST
神經(jīng)系統(tǒng)ST為理解單個神經(jīng)元的類型、位置、樹突結(jié)構(gòu)、軸突投射和相應(yīng)功能提供了新的見解。例如功能失調(diào)大腦的ST圖譜提供了有關(guān)腦細(xì)胞類型的發(fā)育或退化組織和位置的分子信息，以開發(fā)新的分子生物標(biāo)記物/靶點(diǎn)，并了解腦疾病的新機(jī)制。使用Fiji “Analyze particles”插件和ST流程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用具有分層生成概率模型的ST測量ALS患者的小鼠脊髓和死后組織的基因表達(dá)，區(qū)分早期小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞之間的區(qū)域差異，并確定ALS模型和患者脊髓病理學(xué)之間轉(zhuǎn)錄途徑的干擾。在ALS誘導(dǎo)后，小鼠體內(nèi)動態(tài)發(fā)現(xiàn)約11138個基因的空間分布，并從ALS患者的脊髓樣本中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)9624個基因。這項(xiàng)特別的研究定義了基因表達(dá)在組織中的明確定位和多維分布，并描述了退行性疾病的新機(jī)制。
ST和scRNA-seq的結(jié)合是一種新的方法，可以動態(tài)和多維度地了解疾病的分子機(jī)制，并開發(fā)新類別的空間生物標(biāo)志物。該組合被推薦為診斷疾病、監(jiān)測疾病進(jìn)展和治療效果，以及發(fā)現(xiàn)新類別的空間靶點(diǎn)藥物的有效途徑。這種結(jié)合可以描述血管海綿狀瘤中腦內(nèi)皮細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄多樣性和亞類，并確定在腦海綿狀畸形發(fā)展中的功能作用。最初發(fā)現(xiàn)血管生成性靜脈毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞和常駐內(nèi)皮祖細(xì)胞可能是腦海綿狀畸形轉(zhuǎn)化的主要來源，而不是動脈內(nèi)皮細(xì)胞。阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）是一種破壞性的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，逐漸喪失智力、認(rèn)知和身體功能。從小鼠切片的ST圖譜中識別出AD相關(guān)基因，包括與應(yīng)激反應(yīng)和線粒體功能障礙相關(guān)的空間失調(diào)基因。在AD模型中，ST在早期淀粉樣斑塊周圍直徑為100微米的組織切片中顯示了富含髓鞘和少突膠質(zhì)細(xì)胞基因的共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)錄變化，而在晚期，在補(bǔ)體系統(tǒng)、氧化應(yīng)激、溶酶體和炎癥中顯示了共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)錄變化。通過無偏識別的空間定義特征和ST腦區(qū)分子圖譜可以解釋成年小鼠大腦回路和行為的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系以及系統(tǒng)分類。對不同腦區(qū)空間基因的注釋為理解神經(jīng)元結(jié)構(gòu)、神經(jīng)連接、中間神經(jīng)元投射、突觸前和神經(jīng)膠質(zhì)相互作用提供了新的見解。成年小鼠大腦區(qū)域的空間組織包括用于映射和定位離散神經(jīng)解剖區(qū)域的分子代碼。
胚胎發(fā)育中的ST
胚胎和干細(xì)胞譜系是探索組織模式和相應(yīng)分子調(diào)控回路的范例。帶有scRNA-seq的ST為剖析胚胎發(fā)育過程中細(xì)胞組織的分子動力學(xué)、形態(tài)學(xué)和分子特性的差異以及譜系分配開辟了新的途徑。利用ST和scRNA-seq技術(shù)，對小鼠原腸胚植入后胚胎和發(fā)育的關(guān)鍵特征進(jìn)行了體細(xì)胞發(fā)生過程的探索。人類胚胎心臟細(xì)胞類型及其分布和空間組織的綜合轉(zhuǎn)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軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，三個人類胚胎心臟樣本的ST圖譜顯示了人類胚胎心臟發(fā)育過程中約3115個個體點(diǎn)和10個心肌簇。從大約69個選定的靶基因中獲得了細(xì)胞類型、轉(zhuǎn)錄組和人類心臟發(fā)育的時空圖譜。通過結(jié)合ST、scRNA-seq和GO分析，它能夠更好地識別組織中每種細(xì)胞類型、心臟細(xì)胞類型特異性基因和相互作用網(wǎng)絡(luò)的位置分布和基因標(biāo)記。通過使用10×Genomics Visium和Space Ranger軟件，ST結(jié)合scRNA-seq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(xiàng)特別的研究中，從代表不同發(fā)育時間點(diǎn)和組織位置的17個胚胎中收集了77個腸道樣本，并根據(jù)關(guān)鍵標(biāo)記基因的精細(xì)聚類注釋在隔室中確定了101個亞組。轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的定位和示例如圖6c所示，以突出顯示每種細(xì)胞類型的關(guān)鍵調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并使用scRNA-seq重建細(xì)胞命運(yùn)的“決策樹”，包括已知的發(fā)育調(diào)控因子、306個發(fā)育時程和44個調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的位置變化。對整個腸道發(fā)育過程中的組織進(jìn)行ST分析，發(fā)現(xiàn)了scRNA-seq識別簇的時空位置、上皮隱窩絨毛的形成、間充質(zhì)的分化、肌肉層的建立、血管系統(tǒng)的擴(kuò)張、免疫定植和腸道相關(guān)淋巴組織的出現(xiàn)。每種類型的細(xì)胞都有特定的基因標(biāo)記，其中一些在基因表達(dá)、腸細(xì)胞類型特定基因和相互作用網(wǎng)絡(luò)方面存在位置和時間點(diǎn)差異。這項(xiàng)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。
病理學(xué)中的ST
ST特征的3D圖像顯示了腫瘤和免疫細(xì)胞之間相互作用的異質(zhì)性，以及浸潤的免疫細(xì)胞在不同位置的差異。使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型，腫瘤和免疫相互作用的分析、描述和分層能力得到了高精度的提高。黑色素瘤淋巴結(jié)活檢的ST圖譜揭示了與組織學(xué)實(shí)體相關(guān)的腫瘤內(nèi)空間成分的轉(zhuǎn)錄景觀和基因表達(dá)譜的異質(zhì)性。靠近腫瘤區(qū)域的淋巴區(qū)的基因表達(dá)模式與腫瘤微環(huán)境相似。轉(zhuǎn)錄組圖譜的空間定位有助于我們了解腫瘤進(jìn)展、轉(zhuǎn)移的分子機(jī)制，并確定治療靶點(diǎn)。牙周組織的ST圖譜顯示，炎癥區(qū)域特異性極性陰影的表達(dá)上調(diào)，這是慢性炎癥性牙周炎發(fā)病機(jī)制的一部分。成人心臟ST圖譜顯示心力衰竭患者胎兒基因表達(dá)的空間差異。
腫瘤內(nèi)部和腫瘤之間的異質(zhì)性與腫瘤亞克隆的擴(kuò)展、基因的改變和腫瘤細(xì)胞在腫瘤微環(huán)境中的相互作用高度相關(guān)，并與腫瘤的進(jìn)展和復(fù)雜性有關(guān)。繪制了各種疾病的ST圖譜，包括腦組織、脊髓組織、乳腺癌、皮膚惡性黑色素瘤、前列腺癌、牙齦組織、胰腺組織和人類心臟組織。
空間轉(zhuǎn)錄組在分析感染性疾病的發(fā)病機(jī)制中具有重要的應(yīng)用價值。scRNA-seq與不同時間點(diǎn)的新生小鼠回腸和心臟組織的ST相結(jié)合，揭示了心肌炎感染發(fā)病的動態(tài)過程，不同細(xì)胞表型的空間異質(zhì)性網(wǎng)絡(luò)，以及與病毒引起的細(xì)胞間相互作用的關(guān)系。
時空多組學(xué)和跨組學(xué)將為理解該疾病提供更重要和全面的見解。需要更多的措施來定義表達(dá)的靶蛋白的定量、時空定位、突變、剪接異構(gòu)體和翻譯后修飾變異。由于樣品制備、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)生成和解釋過程復(fù)雜，或成本高昂，時空技術(shù)在臨床上的應(yīng)用仍然滯后。應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)方法的新穎性和標(biāo)準(zhǔn)化，例如提高通量（每次實(shí)驗(yàn)捕獲的斑點(diǎn)或細(xì)胞數(shù)量）和提高分辨率（每個細(xì)胞檢測到的基因數(shù)量）?？臻g跨組學(xué)是ST發(fā)展的一個新方向，需要在一個樣本中同時檢測染色體結(jié)構(gòu)、染色質(zhì)可及性、組蛋白修飾、DNA甲基化、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝和非編碼RNA。基于云計算和人工智能的工具將使科學(xué)家能夠輕松、自由地解釋復(fù)雜的時空數(shù)據(jù)。隨著測序方法、文庫構(gòu)建方案和化學(xué)試劑的快速發(fā)展，成本將降低，有效地使時空分子病理學(xué)成為臨床篩選、診斷和治療監(jiān)測的候選方法。
炎癥性疾病中的ST
根據(jù)外部刺激、發(fā)育方向、腫瘤轉(zhuǎn)移階段和腫瘤微環(huán)境中的“界面”細(xì)胞狀態(tài)，組織中細(xì)胞簇和亞型以及相應(yīng)基因的空間位置或自然狀態(tài)代表不同的信號濃度梯度。微環(huán)境中的空間細(xì)胞間通訊提供了有關(guān)器官和疾病發(fā)展中的生物功能、網(wǎng)絡(luò)和宿主-病原體相互作用的更詳細(xì)信息。例如ST描述了慢性炎癥性疾病引起的免疫細(xì)胞機(jī)制和組織多樣性，包括在類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎中過度表達(dá)CD3E、CXCL9、CXCL13和LTB。而在脊椎關(guān)節(jié)炎中，POSTN、COMP、CILP2和PRG4與較高的軟骨周轉(zhuǎn)率有關(guān)。
ST 臨床應(yīng)用的潛在挑戰(zhàn)
由于基因表達(dá)在生物過程中以復(fù)雜的空間形式發(fā)生，因此了解疾病發(fā)生和發(fā)展的空間異質(zhì)性以及開發(fā)用于定義基因/蛋白質(zhì)/細(xì)胞類型和病變組織中精確位置的ST非常重要。精確選擇方法是優(yōu)化呈現(xiàn)疾病特定分子相互作用圖譜的關(guān)鍵步驟之一。例如，利用scRNA-seq發(fā)現(xiàn)一種疾病相關(guān)的小膠質(zhì)細(xì)胞與AD模型中的神經(jīng)退行性疾病有關(guān)，而利用RNA-seq和smFISH確定了人類AD死后大腦中這種小膠質(zhì)細(xì)胞類型在Aβ斑塊附近的位置，并與AD的起源密切相關(guān)。使用免疫組化染色驗(yàn)證了細(xì)胞內(nèi)Aβ顆粒數(shù)量的增加和疾病相關(guān)的小膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)記的陽性。這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)用于AD靶向治療的小膠質(zhì)細(xì)胞激活藥物提供了一個機(jī)會。
ST圖譜顯示3D分子表型和描述信息，以及表達(dá)基因的身份、程度和位置。心力衰竭患者成人心臟活檢中胎兒基因的空間表達(dá)與胎兒心肌相似。胎兒標(biāo)記基因的過度表達(dá)有助于人類心臟的重塑。根據(jù)肝小葉分帶中靶基因的空間表達(dá)，肝分帶是導(dǎo)致血管結(jié)構(gòu)空間異質(zhì)性和同一性的最重要因素。臨床前ST研究表明，在單細(xì)胞水平上，缺血神經(jīng)元體細(xì)胞和軸突線粒體之間，以及內(nèi)毒素血癥誘導(dǎo)的急性腎損傷中組織細(xì)胞之間存在細(xì)胞間通訊和功能障礙。這種基因表達(dá)的空間模式有助于我們理解異質(zhì)性的發(fā)生和發(fā)展，包括微環(huán)境、腫瘤內(nèi)和腫瘤間、復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移和治療反應(yīng)。與scRNA-seq相比，ST圖譜提供了基因表達(dá)和細(xì)胞間相互作用的清晰定位，而兩者都屬于全面的描述性信息。與scRNA-seq不同，ST為分子機(jī)制的提出提供了空間表型的描述信息。
ST的臨床意義和應(yīng)用高度依賴于ST圖譜的匹配性、可重復(fù)性和穩(wěn)定性，以及疾病的復(fù)雜性、嚴(yán)重性、分期、病理學(xué)和結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性。在多細(xì)胞基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的ST圖譜中，57個斑塊誘導(dǎo)基因在AD模型中逐漸構(gòu)建了一個調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。β-淀粉樣斑塊的沉積可能在疾病過程中起“觸發(fā)”或“驅(qū)動”作用，部分原因是多細(xì)胞協(xié)同作用的神經(jīng)退行性機(jī)制。由于動物和人類之間以及模型和疾病之間分子圖譜和形態(tài)表型的差異，將臨床前ST圖譜轉(zhuǎn)化為臨床價值是一個挑戰(zhàn)。
綜合分析ST的復(fù)雜性和可重復(fù)性被視為臨床應(yīng)用的技術(shù)限制。越來越多的證據(jù)表明，ST是了解人類疾病、監(jiān)測分子信號和細(xì)胞間相互作用的空間異質(zhì)性以及制定精確醫(yī)學(xué)策略的重要工具。ST分布依賴于組織切片在三維器官/組織中的位置和疾病進(jìn)展的動態(tài)階段。由于不同水平和方向的組織切片之間存在巨大差異，因此，所選組織切片中ST分布的程度是否代表并涵蓋了多維器官的全部景觀和變化，這一點(diǎn)受到質(zhì)疑。來自癌癥ST數(shù)據(jù)的分子特征可以對乳腺癌區(qū)域內(nèi)的轉(zhuǎn)錄組相互作用進(jìn)行分類，并為臨床理解和決策提供科學(xué)證據(jù)和支持。病理學(xué)識別和選擇的準(zhǔn)確性對ST圖譜和相應(yīng)的細(xì)胞間相互作用的可靠性和匹配性起著決定性作用。盡管ST圖譜在發(fā)現(xiàn)和識別疾病特異性和空間化特異性因素方面取得了進(jìn)展，但構(gòu)建和繪制空間圖譜的綜合分析還需要進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化、自動化，并具有大范圍ST分析、減少方法學(xué)變異和更多潛在探索的特點(diǎn)。由于樣本收集、保存和運(yùn)輸?shù)睦щy，人類樣本的數(shù)量仍然有限，無法得出明確的結(jié)論。迫切需要對目標(biāo)疾病進(jìn)行系統(tǒng)、精心設(shè)計的臨床研究，并提供有關(guān)切面位置、疾病階段和嚴(yán)重程度以及干預(yù)措施的明確信息。ST目前影響著我們對組織結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)錄組調(diào)控和細(xì)胞間相互作用的理解和知識，而ST的長期影響應(yīng)該通過整合ST與臨床表型的臨床應(yīng)用來證明。
隨著新ST技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集不斷改進(jìn)，ST分辨率、靈敏度、通量量和可及性方面的挑戰(zhàn)正在被克服。ST與石蠟包埋組織相容，為生物庫中采集的樣本進(jìn)行回顧性分析提供了可能性。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(jié)構(gòu)基因表達(dá)。改進(jìn)的ST將使我們進(jìn)一步了解生物體的發(fā)育過程，并為臨床醫(yī)學(xué)中的早期疾病檢測和精確的靶向治療提供基礎(chǔ)。ST與多種技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用將需要滿足臨床需求。因此，相信持續(xù)提高ST分辨率和單細(xì)胞分辨率的靈敏性將有利于臨床實(shí)踐和改善患者預(yù)后。
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