一种新方法可以以前所未有的分辨率精确定位基因活性和蛋白质

一项由威尔康奈尔医学院、纽约长老会医院和纽约基因组中心的研究人员共同领导的研究表明，一种新方法可以以前所未有的分辨率阐明整个器官或肿瘤中细胞的身份和活动。

1月2日发表在《自然生物技术》(Nature Biotechnology)杂志上的一篇论文描述了这种方法，它记录了组织样本中基因活动模式和细胞中关键蛋白质的存在，同时保留了细胞精确位置的信息。这使得创建复杂的、数据丰富的器官“地图”成为可能，包括病变器官和肿瘤，这可能在基础和临床研究中广泛应用。

“这项技术令人兴奋，因为它使我们能够绘制组织的空间组织，包括细胞类型、细胞活动和细胞间的相互作用，这是前所未有的”。

论文一位共同通讯作者是位于加州的生物技术公司10x Genomics的Marlon Stoeckius博士，该公司生产用于组织样本中细胞分析的实验室设备。三位共同第一作者是Nir Ben-Chetrit博士、Xiang Niu和Ariel Swett，他们分别是实验室的博士后研究员、研究生和研究技术员。

这种新方法的诞生来自科学家和工程师们的共同努力，他们正在开发更好的方法，在微观尺度上“观察”器官和组织是如何工作的。近年来，研究人员取得了重大进展，特别是在分析单个细胞或小细胞群中的基因活性和其他信息层的技术方面。然而，这些技术通常需要溶解组织，并将细胞与邻近细胞分离，因此有关被测细胞在组织中的原始位置的信息就会丢失。这种新方法也能捕捉到空间信息，而且分辨率很高。

该方法被称为空间蛋白质和转录组测序(SPOTS)，部分基于现有的10x基因组学技术。它使用玻璃载玻片，适用于用普通的基于显微镜的病理方法对组织样本进行成像，其中也有涂有数千种特殊的探针分子。每个探针分子都包含一个分子“条形码”，表示其在载玻片上的二维位置。当薄片组织样本被放置在载玻片上并使其细胞具有渗透性时，载玻片上的探针分子会捕获相邻细胞的信使RNA (mRNAs)，后者本质上是活性基因的转录本。该方法包括使用与组织中感兴趣的蛋白质结合的设计抗体，也可以与特殊的探针分子结合。通过快速、自动化的技术，研究人员可以识别捕获的mRNA和选择的蛋白质，并将它们精确地映射到它们在组织样本中的原始位置。所得到的图可以单独考虑，也可以与样本的标准病理成像进行比较。

研究小组展示了正常小鼠脾脏组织上的SPOTS，揭示了该器官的复杂功能结构，包括不同细胞类型的集群，它们的功能状态，以及这些状态如何随着细胞位置的变化而变化。

为了突出SPOTS在癌症研究中的潜力，研究人员还用它来绘制小鼠乳腺肿瘤的细胞组织。由此产生的图谱描绘了被称为巨噬细胞的免疫细胞在两种不同状态下的蛋白质标记——一种状态是活跃的和抗肿瘤的，另一种状态是免疫抑制的，并形成保护肿瘤的屏障。

“我们可以看到，这两种巨噬细胞亚群存在于肿瘤的不同区域，并与不同的细胞相互作用——微环境的差异可能导致了它们不同的活动状态”。

作者补充说，肿瘤免疫环境的这些细节（由于肿瘤内免疫细胞的稀疏，通常无法解决的细节）可能有助于解释为什么一些患者对免疫增强疗法有反应，而另一些则没有，因此可以为未来免疫疗法的设计提供信息。

SPOTS的初始版本具有空间分辨率，这样得到的数据集的每个“像素”至少可以汇总几个细胞的基因活动信息。然而，作者表示，研究人员希望很快将这种分辨率缩小到单个细胞，同时增加其他层的关键细胞信息。

Journal Reference:

1. Nir Ben-Chetrit, Xiang Niu, Ariel D. Swett, Jesus Sotelo, Maria S. Jiao, Caitlin M. Stewart, Catherine Potenski, Paulius Mielinis, Patrick Roelli, Marlon Stoeckius, Dan A. Landau. Integration of whole transcriptome spatial profiling with protein markers. Nature Biotechnology, 2023; DOI: 10.1038/s41587-022-01536-3