了解分子、細(xì)胞和組織在原生空間環(huán)境中的組織和相互作用

最近在測序、質(zhì)譜分析、成像技術(shù)等方面取得的進(jìn)展，從根本上提高了從生物樣本，尤其是人體組織中獲取信息的深度。這些工具和發(fā)現(xiàn)的相互關(guān)聯(lián)性催生了一系列復(fù)雜、快速發(fā)展的技術(shù)和研究領(lǐng)域，這些技術(shù)和領(lǐng)域被廣泛定義為空間生物學(xué)。通過整合先進(jìn)技術(shù)，空間生物學(xué)正在改變生物研究的格局。

但什么是空間生物學(xué)，研究人員如何利用其工具和思維方式來回答后組學(xué)時(shí)代日益增長的生物學(xué)問題？在本文中，我們將簡要概述空間生物學(xué)這一主題、其技術(shù)和產(chǎn)品，以及研究人員可能提出的問題，從而了解這一不斷發(fā)展的領(lǐng)域。

簡單地說，空間生物學(xué)是空間數(shù)據(jù)與生物分子特征信息的結(jié)合。換句話說，當(dāng) XY（或 XYZ）坐標(biāo)信息被分配給樣本中已識(shí)別的生物分子時(shí)，由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可被稱為空間生物學(xué)。不過，該術(shù)語通常只有在進(jìn)行大規(guī)模研究時(shí)才會(huì)被使用——當(dāng)數(shù)千或數(shù)百萬個(gè)細(xì)胞、蛋白質(zhì)、轉(zhuǎn)錄本或其他分析物在空間上被解析時(shí)。

例如，研究單個(gè)蛋白質(zhì)及其在細(xì)胞培養(yǎng)物中的位置可能稱不上是空間生物學(xué)研究，但在上百個(gè)其他蛋白質(zhì)和 RNA 分子的異質(zhì)組織樣本中探索單個(gè)蛋白質(zhì)則更有可能稱得上是空間生物學(xué)研究。這樣，研究人員就能在原生組織結(jié)構(gòu)和細(xì)胞微環(huán)境的背景下探索各種生物分析物的分布情況。因此，空間生物學(xué)可以揭示組織中細(xì)胞生物學(xué)的多樣性和空間異質(zhì)性，以及細(xì)胞的空間組織。

如何生成空間生物學(xué)數(shù)據(jù)？

產(chǎn)生空間生物學(xué)數(shù)據(jù)的三個(gè)主要技術(shù)系列是熒光顯微鏡、測序、質(zhì)譜，通常是三者的結(jié)合。特定的空間生物學(xué)子類型通常由添加位置數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)技術(shù)來定義。例如，處理大量器官組織并對裂解液中的 RNA 分子進(jìn)行測序或使用單細(xì)胞測序可稱為轉(zhuǎn)錄組學(xué)，而使用顯微切割技術(shù)將 RNA 測序讀數(shù)分配到特定物理位置則更可能被稱為空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)或空間分辨轉(zhuǎn)錄組學(xué)。空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法也可以通過將條形碼標(biāo)簽與樣本中的 RNA 分子雜交，然后直接使用新一代測序或熒光探針讀取來揭示標(biāo)簽物種的身份。另外，基于 DNA 原位測序的方法也可通過一種稱為空間基因組學(xué)的方法應(yīng)用于空間生物學(xué)工具集。例如，這種方法可用于探索腫瘤細(xì)胞中拷貝數(shù)的變化，或發(fā)生非整倍體——染色體數(shù)量偏離正常值——的組織中染色體數(shù)量的變化。

利用質(zhì)譜技術(shù)識(shí)別樣本中的蛋白質(zhì)被稱為空間蛋白質(zhì)組學(xué)或空間分辨蛋白質(zhì)組學(xué)。采用這種方法時(shí)，可以先對組織區(qū)域進(jìn)行顯微解剖并進(jìn)行質(zhì)譜分析，然后再將這些區(qū)域重新對準(zhǔn)參考圖像。另外，各種成像質(zhì)譜技術(shù)可直接分析組織區(qū)域。這些技術(shù)有一個(gè)共同的基本方法——制備樣本，然后對組織區(qū)域進(jìn)行離子化，獲得并分析質(zhì)譜，然后再將質(zhì)譜與樣本中的位置聯(lián)系起來。

同一系列的技術(shù)還可以獲得非蛋白質(zhì)代謝物的定量空間信息，通常稱為空間代謝組學(xué)，盡管分析物不一定是細(xì)胞代謝的直接產(chǎn)物。這類方法可以分析脂質(zhì)（脂質(zhì)組學(xué)）、糖類（糖組學(xué)），甚至是評(píng)估藥效學(xué)的藥物分子。這是一種很有挑戰(zhàn)性的方法，它在很大程度上依賴于良好的測量標(biāo)準(zhǔn)，但卻為人們廣泛深入地了解人體組織化學(xué)打開了一扇大門。

空間蛋白質(zhì)組學(xué)并不一定只能通過質(zhì)譜法來實(shí)現(xiàn)。它也可以通過光學(xué)顯微鏡和超多標(biāo)成像工作流程來檢測樣品中的數(shù)十或數(shù)百個(gè)蛋白質(zhì)。質(zhì)譜法或多重成像法的不同之處在于復(fù)雜性，即單個(gè)樣品中可分析的分析物的數(shù)量。分析少量分子可稱為低標(biāo)或中標(biāo)，而分析成百上千個(gè)分子則可稱為超多標(biāo)。為什么研究人員要在空間生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用低標(biāo)技術(shù)？基于成像的方法通常具有提供更高分辨率成像組織的優(yōu)勢。如果需要了解分析物在單個(gè)細(xì)胞中的精確位置，多重成像可能是實(shí)現(xiàn)這一結(jié)果的途徑。

例如，免疫腫瘤學(xué)研究人員通常對高度特化的免疫細(xì)胞亞型的精確細(xì)胞類型特性感興趣。這可能需要五到十個(gè)生物標(biāo)記物的單細(xì)胞分辨率才能確定準(zhǔn)確的表型，因此需要分辨率更高的低倍增方法。低/中標(biāo)技術(shù)和超多標(biāo)技術(shù)并不相互排斥。低倍方法可以確定假設(shè)，甚至是組織的特定區(qū)域，以便在工作流程的后期使用基于質(zhì)譜或測序的高倍方法進(jìn)行分析。

超多標(biāo)成像如何為空間生物學(xué)研究提供途徑？

超多標(biāo)空間生物學(xué)有許多工作流程，使用多種技術(shù)，例如：

• 在同一臺(tái)設(shè)備上染色和成像

• 十色以下采用一次成像拆分的方案

• 一體化組學(xué)解決方案

• 迭代染色

研究人員為什么要使用這些技術(shù)？采用空間方法是技術(shù)進(jìn)步與對細(xì)胞和組織生物活動(dòng)的深入了解相結(jié)合的產(chǎn)物。隨著人們越來越容易了解細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)錄本、蛋白質(zhì)和分子，研究人員也越來越好奇這些分子是如何組織起來的，尤其是在異質(zhì)組織內(nèi)和疾病狀態(tài)下。以腫瘤微環(huán)境為例：大量的知識(shí)已經(jīng)揭示了腫瘤發(fā)生和癌癥進(jìn)展的許多分子決定因素。由于掌握了這些知識(shí)，許多經(jīng)典的致癌基因和致癌途徑已成為治療的靶點(diǎn)，但成功與否參差不齊。一個(gè)有希望的治療領(lǐng)域是免疫療法，它能刺激病人的免疫系統(tǒng)攻擊和破壞腫瘤組織。然而，確定哪些患者將從通常非常昂貴的藥物中獲益是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

預(yù)測對免疫治療藥物的反應(yīng)的關(guān)鍵往往隱藏在組織的組織結(jié)構(gòu)以及與腫瘤本身非常接近的細(xì)胞的特性中。腫瘤細(xì)胞離血管有多近？是否存在或不存在將腫瘤與周圍環(huán)境區(qū)分開來的免疫細(xì)胞？這些免疫細(xì)胞是進(jìn)入還是離開腫瘤區(qū)域？這些細(xì)胞是否已對腫瘤做出反應(yīng)，還是處于衰竭狀態(tài)？腫瘤的基因和蛋白質(zhì)表達(dá)是否存在異質(zhì)性，是否顯示出分化為不同的代謝片段？所有這些問題都與預(yù)測免疫療法反應(yīng)有關(guān)，是空間生物學(xué)方法的最佳問題。

經(jīng)典的癌癥遺傳學(xué)也可能受到空間生物學(xué)技術(shù)的影響。研究人員可能會(huì)問：DNA 修復(fù)缺陷的細(xì)胞在哪里？是哪些細(xì)胞或基因毒性損傷造成了這些細(xì)胞，特定的基因毒性又造成了怎樣的空間損傷模式？空間生物學(xué)也有非癌癥、非轉(zhuǎn)運(yùn)的途徑。例如，毛囊等發(fā)育中的復(fù)雜組織顯示了干細(xì)胞，這些干細(xì)胞通常具有相當(dāng)細(xì)微的細(xì)胞特性，并根據(jù)毛發(fā)生命周期的進(jìn)展進(jìn)入不同的龕位。這類發(fā)育生物學(xué)環(huán)境非常適合利用空間生物學(xué)方法。事實(shí)上，任何需要精細(xì)了解細(xì)胞特征和位置的實(shí)驗(yàn)環(huán)境都可以從空間生物學(xué)技術(shù)中受益。

結(jié)論

空間生物學(xué)是一系列工具、方法和分析模式的總稱，旨在利用全息技術(shù)和成像技術(shù)來深入了解人體組織的組織結(jié)構(gòu)。隨著這些技術(shù)的不斷進(jìn)步，研究人員所能提出和回答的問題范圍也將不斷擴(kuò)大。癌癥生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、發(fā)育生物學(xué)等復(fù)雜領(lǐng)域都將受到這些技術(shù)突破的深刻影響。采用空間生物學(xué)的 "思維方式" 將有助于輕松過渡到使用這些方法，并鼓勵(lì)研究人員思考這種方法如何為他們當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其他系統(tǒng)提供新的見解。

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