新方法精确定位跨组织的基因活性和蛋白质

根据威尔康奈尔医学院、纽约长老会和纽约基因组中心的研究人员共同领导的一项研究，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。

该方法于 1 月 2 日发表在《自然生物技术》( Nature Biotechnology ) 的一篇论文中，它记录了基因活动模式和组织样本中细胞中关键蛋白质的存在，同时保留了有关细胞精确位置的信息。这使得能够创建复杂的、数据丰富的器官“图谱”，包括患病器官和肿瘤，这可能在基础和临床研究中广泛有用。

“这项技术令人兴奋，因为它使我们能够以前所未有的方式绘制组织的空间组织图，包括细胞类型、细胞活动和细胞间相互作用，”该研究的共同资深作者、副教授 Dan Landau 博士说。血液学和肿瘤内科的医学博士，威尔康奈尔医学院桑德拉和爱德华迈耶癌症中心的成员，以及纽约基因组中心的核心教员。

另一位共同资深作者是 10x Genomics 的 Marlon Stoeckius 博士，这是一家总部位于加利福尼亚的生物技术公司，该公司制造用于分析组织样本中细胞的实验室设备。三位共同第一作者分别是Nir Ben-Chetrit博士、Xiang Niu和Ariel Swett，他们在研究期间分别是Landau实验室的博士后研究员、研究生和研究技术员。

这种新方法是科学家和工程师广泛努力的一部分，旨在开发更好的方法来在微观尺度上“观察”器官和组织的工作方式。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其相邻细胞分离，因此有关异型细胞在组织内的原始位置的信息会丢失。新方法也以高分辨率捕获该空间信息。

这种方法称为空间蛋白质和转录组测序 (SPOTS)，部分基于现有的 10x Genomics 技术。它使用的载玻片适合用普通的基于显微镜的病理学方法对组织样本进行成像，但也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。当将切成薄片的组织样本放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抓住相邻细胞的信使 RNA (mRNA)，它们本质上是活性基因的转录本。该方法包括使用设计抗体，这些抗体可以与组织中感兴趣的蛋白质结合，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 和选定的蛋白质，并将它们精确地映射到它们在整个组织样本中的原始位置。生成的地图可以单独考虑，或与样本的标准病理成像进行比较。

该团队在正常小鼠脾脏组织上展示了 SPOTS ，揭示了该器官的复杂功能结构，包括不同细胞类型的簇、它们的功能状态，以及这些状态如何随细胞位置而变化。

为了突出 SPOTS 在癌症研究中的潜力，研究人员还使用它来绘制小鼠乳腺肿瘤的细胞组织图。由此产生的地图描绘了称为巨噬细胞的免疫细胞处于两种不同的状态，由蛋白质标记物表示——一种状态活跃和抗肿瘤，另一种状态抑制免疫并形成保护肿瘤的屏障。

“我们可以看到这两个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——微环境的差异可能会驱动它们不同的活动状态，”Landau 博士说，他也是 NewYork 的一名肿瘤学家。长老会/威尔康奈尔医学中心。

“肿瘤免疫环境的这些细节——由于免疫细胞在肿瘤内稀疏而通常无法解决的细节——可能有助于解释为什么有些患者对免疫增强疗法有反应而有些则没有，因此可以为设计提供信息未来的免疫疗法，”他补充道。

“这个初始版本的 SPOTS 有一个空间分辨率，这样得到的数据集的每个“像素”都会对至少几个细胞的基因活动信息求和。然而，研究人员希望很快将这个分辨率缩小到单个细胞，同时添加其他层的关键细胞信息，”兰道博士说。

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