空间组学（Spatial Omics）技术在2022年被《Nature》杂志列为最值得关注的七大技术之一，被誉为“生命科学”的下一个风口。空间组学是一个快速发展的动态领域，它尽可能地利用空间结构、细胞和组织中生物分子的位置、组织和功能来让我们了解它们如何相互作用并驱动各种生物学功能。

目前空间转录组、空间蛋白组以及空间代谢组这三类空间组学技术已经有了较多应用。

下面小编针对以上三类空间组学技术给大家介绍一下市场上较成熟的产品。

01 空间转录组学

空间转录组学是将转录组学与组织病理学结合，还原了组织中各个空间位点的细胞信息和基因表达信息，目前商业化比较成熟，市场占有率较高的有10x Genomic的Visium、Nanostring的DSP、华大基因的Stereo-seq。

10x Visium空间

10x Visium空间捕获技术通过使用空间条形码mRNA结合寡核苷酸为实验提供基础。mRNA分子获得空间条形码有两种方法。

在新鲜冷冻组织中，组织被固定并透化以释放与相邻捕获探针结合的RNA，从而捕获基因表达信息。然后从捕获的RNA合成cDNA，并制备测序文库。

在FFPE组织中，利用RNA模板连接(RTL)，在此过程中，蛋白质编码转录组中特定于基因的成对探针与它们的基因靶标杂交，然后相互连接。该组织被渗透，释放配对的探针对，结合到载玻片上的捕获探针，从而捕获基因表达信息。然后合成cDNA，并制备测序文库。

10x Visium空间转录组捕获区域 6.5 x 6.5mm 、spot数量约5000个 、spot直径 55µm 、分辨率 100µm 、支持HE染色。

DSP

DSP技术是以探针作为基因检测和定量手段。如下图所示，DSP技术使用的探针主要由三个部分组成：

（1）探针序列，使探针可以与目标mRNA进行互补结合；

（2）索引序列，包含正向和反向PCR引物结合位点，用于NGS建库过程中的序列扩增和接头连接，14nt UMI序列用于探针丰度定量，12nt probe ID用于鉴定探针对应的基因；

（3）UV连接点，连接探针序列和索引序列，并可在紫外照射的情况下断开，释放索引序列。

先进行染色&孵育：展现切片的形态学特征，对感兴趣的组织进行ROI圈选，之后进行 UV切割（即释放RNA探针连接寡核苷酸标签序列），收集释放的寡核苷酸标签序列进行定量；对收集的寡核苷酸标签序列进行PCR扩增建库，加上测序接头，通过UMI对标签去重，通过probe ID与探针文库比对明确标签对应的基因，最终完成表达定量。

DSP空间转录组染色区域36.3mm x 14.1mm(之后手动选择分析区域）、分辨率在10µm、不支持HE染色，只支持荧光成像、多种切片ROI区域选择策略。

Stereo-seq

该技术将包含随机条形码序列的 DNA 纳米球(DNB)沉积在经过光刻蚀刻的改性硅表面 (芯片) 上，该表面上刻有网格图案的点阵列，DNB有效地停靠在该阵列中每个点的直径约为220nm，中心到中心距离为500或715 nm。对阵列进行显微照相，与引物一起孵育并测序以获得包含每个蚀刻 DNB的坐标标识(CID)的数据矩阵获得位置信息通过与 CID 杂交，将分子标识符(MID) 和含有polyT 序列的寡核首酸连接在每个点上。形成时空探针簇，这种基于 DNB的策略能够以比任何其他先前方法高得多的密度生成包含条形码探针的大型芯片。

将冷冻组织贴片、芯片上的探针簇捕获组织 polyA 尾的RNA，这是通过将新鲜的氮冷冻组织切片加载到芯片表面原位实现的，然后进行固定、透化，最后进行逆转录和扩增。收集扩增的cDNA，用作文库制备的模板，并与CID一起测序。

华大Stereo-seq捕获区域10 x 10mm(支持定制) 、spot数量 约4x108个 、spot直径 0.22µm 、分辨率 0.5µm、 不支持HE染色、只支持荧光成像。

Slide-tags技术

12月13日由哈佛研究团队在nature上发表了“Slide-tags enables single-nucleus barcoding for multimodal spatial genomics”文章[1]，介绍了Slide-tags新技术，Slide-tags 提供了一个通用平台，用于将已建立的单细胞测量与空间基因组结合。

研发团队开发了密集排列的DNA条形码的10µm微珠的空间索引阵列，在微珠与spatial barcode之间由一段能被光切割的光解连接器连接。将新鲜的冷冻组织切片覆盖到阵列芯片上，然后通过“光”切割光解连接器，让微珠上带有光裂解空间条形码的标记细胞核。这样，用我们已知位置空间条形码“标记”来自完整的新鲜冷冻组织切片的细胞核。然后切割分离细胞核，使用现有的单细胞方法对分离的细胞核进行10x细胞核捕获实验。对测序结果进行分析，并添加空间位置。

作者通过对成年和发育中的小鼠大脑、人类大脑皮层、人类扁桃体和人类黑色素瘤进行分析，证明了Slide-tags适用于多种组织类型，能够将带有空间位置信息的细胞核导入snRNA-seq、snATAC–seq和TCR测序的标准工作流程中。Slide-tags也很容易集成到已建立的单细胞计算工作流程中，如拷贝数变异（CNV）推理。

Slide-tags能真正将单细胞和空间转录组结合，通过单细胞、空间分辨、多模式能力来揭示细胞类型特异性的空间变化基因表达，空间情境化受体-配体相互作用，并检查参与肿瘤微环境的遗传和表观遗传因素。作者对Slide-tags未来研究方向是适用于DNA的分析，使额外的表观遗传修饰成为可能。

Slide-tags目前只能通过临近组织切片进行HE染色，不能在原组织切片上进行HE染色，通过空间标签，模拟位置分布，10x单细胞捕获效率是50%，一定程度上会丢失部分信息。

02 空间蛋白组学

蛋自质作为生物体最终生命活动的执行者，同时可以反向调控遗传物质，组织空间层面的蛋白定位表达谱对于解析组织微环境，诊断、预后以及精准医疗都具有重要价值。

根据定量方法的不同空间蛋白组学技术可以分为三大类：基于荧光基团循环成像的CODEX，基于质谱的MIBI-TOF和基于测序的DSP，MIBI可以同时检测多达100种靶标蛋白，但金属同位素标记成本高、仪器贵重。

CODEX

Akoya Biosciences 推出的支持超多蛋白检测CODEX蛋白组学分析平台 (CO-Detection by IndEXing)核心设计原理是每种抗体上标记特异性寡核苷酸“条码标签”(Barcode)， 而不是直接标记荧光染料。成像所需的荧光染料是通过和Barcode互补的寡核苷酸序列特异性结合，使得CODEX突破可见光谱荧光成像通道数量的限制，轻松实现50种或更多蛋白指标的同时检测及分析。

CODEX系统中的荧光成像是通过循环图像采集及最终整合实现的。在每一个图像采集的循环中，系统可以检测3种靶点蛋白及细胞核。加入3色荧光报告基团进行抗体识别并结合到对应的Barcode上，使得抗体和抗原结合的信息通过成像记录。然后在温和条件下，洗脱荧光标记物，完成一个检测循环。再进入到下一个检测循环，重复加入荧光标记报告基团-显色成像-洗脱，直到检测完所有靶标。经过图像处理后，同一张样本切片上即可显示出多达50种不同的靶标的空间分布及相互位置关系。

MIBI-TOF

MIBI（多重离子束成像）使用使用金属同位素标记一抗，待标记的一抗与组织孵育结合后，使用离子光束释放抗体结合的同位素，然后通过TOF质谱对同位素分子定性定量，最后，将检测结果与单细胞分辨率图像合并，以获得空间蛋白表达谱[2]。

DSP空间蛋白组学技术原理同DSP空间转录组原理，只是将于RNA结合的探针换成与蛋白结合的探针。

DSP则可以自主选择关注区域，针对性检测目标区域的蛋白表达特征，单个区域内的分辨率可以达到5-10个细胞，其次，DSP的蛋白靶标同样在100种以上，捕获区域大、蛋白靶标多、样本兼容性强、实用性更高，成熟兼容转录组，帮助我们从两个层面解析组织空间异质性，目前也只适用于人和小鼠。

03 空间代谢组学

代谢组位于基因调控网络和蛋白质作用网络的下游，提供生物体的终端信息，传统代谢组混样后丢失了空间位置信息，不能确定样本中代谢物的具体分布。

空间代谢组在代谢组的基础上整合了质谱成像（Mass Spectrometry Imaging，MSI）技术。质谱成像以质谱技术为基础，通过质谱逐点扫描生物组织切片样品，与专业图像处理软件结合，能够准确识别并定位多种代谢物在组织、细胞间的差异分布，同时获得代谢物的种类和含量，可适用的样本类型丰富，临床组织、动物组织或是植物组织都能够兼容，可应用场景也非常广泛，不管是探究动物组织中肿瘤或病变组织的代谢通路，检测外源性药物分子在组织内的吸收/分布/代谢，和排泄、候选药物评价，又或是对植物组织中的初级或次级代谢物进行精准定位，阐述重要功能代谢产物的生物合成，和转运途径、验证功能基因等等，空间代谢组都是非常合适的选择。

随着时代的发展，需求的增加，技术革新永远在路上！

参考文献

[1] Russell AJC, Weir JA, Nadaf NM, et al. Slide-tags: scalable, single-nucleus barcoding for multi-modal spatial genomics. Preprint. bioRxiv. 2023;2023.04.01.535228. Published 2023 Apr 3. doi:10.1101/2023.04.01.535228 IF: NA NA NA

[2] Ji AL, Rubin AJ, Thrane K, et al. Multimodal Analysis of Composition and Spatial Architecture in Human Squamous Cell Carcinoma [published correction appears in Cell. 2020 Sep 17;182(6):1661-1662]. Cell. 2020;182(2):497-514.e22. doi:10.1016/j.cell.2020.05.039 IF: 64.5 Q1 B1

[3] Liu C, Qi K, Yao L, et al. Imaging of Polar and Nonpolar Species Using Compact Desorption Electrospray Ionization/Postphotoionization Mass Spectrometry. Anal Chem. 2019;91(10):6616-6623. doi:10.1021/acs.analchem.9b00520 IF: 7.4 Q1 B