2025国自然热点：空间组学迈入单细胞分辨率

空间组学技术通过结合组织形态和基因表达信息，使得研究人员能够在细胞甚至亚细胞水平上解析组织结构和功能。随着技术的不断进步，空间组学正逐步实现单细胞分辨率，这对于理解细胞间的相互作用、组织微环境的构建以及疾病的发生发展具有重要意义。

随着生命科学领域的技术进步，空间组学技术正在实现从组织层面向单细胞层面的分辨率迈进。这一进展不仅为生物学研究提供了新的视角，也为疾病的诊断和治疗带来了革命性的变化。2025年，空间组学迈入单细胞分辨率，无疑将成为国家自然科学基金（国自然）的热点研究领域之一。

空间转录组学技术，一项革命性的进步，让我们能在细胞层面探索基因表达的同时，精确定位细胞在组织中的位置。这项技术的发展历程，可以分为几个关键阶段：

原位杂交技术（ISH）：20世纪70年代，ISH技术首次引入，用于可视化特定基因的转录本，开启了空间转录组学的技术先河。

Bulk RNA时代：90年代，高通量测序技术的发展，使得我们能在大细胞群体中获得基因的平均表达水平，但无法展示单个细胞的转录表达水平。

单细胞测序技术时代：单细胞测序技术的发展，使得我们能够进行单个细胞的捕获、裂解、mRNA富集建库和NGS测序等流程，实现了单细胞水平的全转录组测序。Drop-Seq、Cyto-Seq等基于微滴或微孔的新型单细胞分离技术的出现，使得单个细胞分离和捕获测序的成本大大降低，单细胞转录组测序进入了高通量时代。虽然这一技术使我们能在单个细胞水平上构建每个细胞的表达谱，反映细胞间的异质性。然而，在单细胞悬液制备过程中会丢失空间位置信息，而这是器官功能的关键特征之一。

空间转录组学的诞生：2016年，Joakim Lundeberg课题组提出了空间转录组学的概念，并发表了第一个基于原位捕获RNA的空间转录组学技术。这一技术的出现，使细胞的空间位置信息和基因表达数据相结合，可以同时获得细胞的空间位置信息和基因表达数据。

单细胞分辨率空间转录组技术的实现：近年来，空间转录组学技术进展迅速，一些技术如华大时空组学技术Visium HD和Stereo-seq等，已经能够实现单细胞分辨率，推断亚细胞结构并解决细胞异质性问题。这些技术不仅提供了丰富的空间信息，还能探索更深层次的生物学意义。

单细胞空间多组学联合：随着技术的不断发展，空间转录组技术在细胞通量、转录本数量和质量、空间位置信息的准确性和全面性方面都有了显著提升。结合单细胞转录组和空间转录组进行联合研究，可使空间位置的基因表达研究结合到超高分辨率的单细胞层面上，对于肿瘤、免疫、神经、发育等领域，都有着令人期待的应用前景。

随着技术的不断进步，推动单细胞分辨率空间转录组技术在疾病研究、药物开发等领域的广泛应用，为精准化临床医学也将带来革命性的变化。

（1）10x Genomics Visium HD

Visium HD空间转录组测序基于探针对捕获的原理进行，依托于常规免疫组化玻片（世泰免疫组化玻片/高粘附性玻片Sigma）和最新的 HD基因表达芯片，每个基因表达芯片包含2个捕获区域，大小为6.5mm x 6.5mm，spots大小为2μm，分辨率极高，引物结构如上。

适用样本类型

Ø 人和小鼠石蜡样本/甲醛（多聚甲醛）固定样本/新鲜组织；

Ø 需要高分辨率的空间组学研究；

Ø 研究微小组织区域的空间结构特征；

参考“单细胞分辨率的空间转录组测序---Visium HD全球发布”

单细胞分辨率的空间转录组测序---Visium HD全球发布

技术优势

Ø 单细胞分辨率：HD基因表达芯片spots结构为2 x 2 µm带条形码标签的方格，以单细胞分辨率对组织进行组织结构分析，探索微小区域的空间结构特征；

Ø 全组织覆盖：通过连续排列有寡核苷酸的捕获区域带条形码标签的方格组织，内部无缝隙，全组织覆盖度，探索未知区域/被隐藏组织区域特征；

Ø 高质量的空间数据：采用CytAssist平台，提供更高质量且更精准的转录本定位，探索复杂组织的空间结构特征；

（2）华大时空转录组-Stereo-seq

Stereo-seq时空转录组测序基于DNB纳米球（PolyA）捕获的原理进行，依托于预透化芯片和时空基因表达芯片，每个基因表达芯片包含1个捕获区域，芯片大小包含0.5cm x 0.5cm/1cm x 1cm/1cm x 2cm/2cm x 2cm/2cm x 3cm，此外还包含13cm x 13cm 等可定制，适用于大组织的芯片，DNB纳米球大小为220nm，亚细胞分辨率，引物结构如下：

适用样本类型

Ø 新鲜组织样本（RIN>7）；

Ø 关注的区域较大（多种芯片规格随心选择）；

Ø 研究微小组织空间结构特征；

Ø 需要高分辨的空间组学研究；

参考“真的细！难怪发多篇CNS！”

真的细！难怪发多篇CNS！

技术优势

Ø 纳米级分辨率：Stereo-seq具备纳米级分辨率，理论上可实现100%的细胞捕获率，可以得到更多细胞信息和精准的细胞聚类结果；

Ø 大视野：Stereo-seq芯片最大可以达到13cm x 13cm的超大视野，实现器官和生命全景分子细胞图谱的绘制；

Ø Cell bin实现空间单细胞水平分析：Stereo-seq通过图像识别细胞核的位置，结合算法可实现近似单细胞水平的表达图谱；

（3）10x Genomics Xenium

Xenium是一种基于成像的空间技术，基于挂锁式探针的多轮荧光检测技术，探针与组织样本中的RNA结合后，只有在两端的特异性序列精确匹配并形成挂锁结构时，才能进行后续的滚环扩增和成像分析。此外该技术可实现在组织切片的原位直接分析RNA，并通过细胞膜、细胞内容物及DAPI染色实现单细胞级别的分辨率。

适用样本类型

Ø 石蜡和新鲜组织样本；

Ø 追求单细胞分辨率的空间组学研究；

Ø 研究的组织区域较大；

Ø 关注的基因明确；

Ø 需要对单细胞或者空间转录组数据进行验证的研究；

参考“Xenium Explorer：数据挖掘的利器”

Xenium Explorer：数据挖掘的利器

技术优势

Ø 单细胞分辨率：Xenium通过细胞膜、细胞内容物及DAPI染色实现单细胞级别的分辨率；

Ø 样本类型兼容性强：Xenium技术流程可以兼容FF和FFPE组织，满足临床及科研样本的检测分析需求；

Ø 检测通量更大：Xenium载玻片的成像区域大小为12mm x 24mm，一次可同时检测两张玻片上机，满足横截面较大的组织研究需求；

Ø 灵活定制Panel组合：在官方推出的商品化Panel基础之上，可灵活增加个性化定制目标基因（可增加1~100个基因）；

Ø 无需NGS测序：根据每个基因特异性的荧光特征条码，实现目标基因的定位和识别；

在精准医学的浪潮中，单细胞分辨率空间转录组技术如Visium HD和华大时空转录组（Stereo-seq）正成为临床研究的新宠。这些技术以其独特的优势，正在解决一系列临床科学问题：

肿瘤微环境分析：通过分析肿瘤区域间的基因表达梯度，Visium HD和Stereo-seq能够揭示肿瘤异质性，为肿瘤的精确分层和个性化治疗提供依据。

疾病早期检测：空间转录组技术能够早期检测组织内的基因表达和细胞相互作用，为早期疾病诊断提供可能。这对于提高治疗效果和患者预后具有重要意义。

发育研究：空间转录组技术能够绘制器官发育过程中的表达图谱和分布，为理解人类疾病的分子机制和临床前疾病模型提供新的见解。

神经科学：在神经科学领域，空间转录组技术能够分析大脑空间的复杂性，揭示不同细胞类型之间的复杂调控网络，为神经退行性疾病的研究提供新工具。

病理诊断：时空组学技术与人工智能诊断结合，提高了病理诊断的效率和准确性，推动了个性化诊疗的发展。

生物标志物发现：结合机器学习，空间转录组技术可以从复杂的数据中识别出诊断生物标志物，预测准确率极高。

随着技术的不断进步，单细胞分辨率空间转录组技术将在疾病研究、细胞图谱构建、生物标志物发现等领域发挥越来越重要的作用，为临床医学带来革命性的变化。

在生物医学研究的前沿，单细胞分辨率空间转录组技术如Visium HD和华大时空转录组（Stereo-seq）正逐步揭开细胞间复杂相互作用的神秘面纱。这些技术使我们能够在组织原位同时获得基因表达特征和空间分布数据，进一步推进了对组织原位细胞真实基因表达的研究。然而，这些技术在发展中也面临着一些挑战：

数据分析复杂性：随着数据量的增加，如何有效处理和分析这些高维度数据，提取有价值的生物学信息，成为一大挑战。

样本制备要求：这些技术对样本的制备和保存条件有较高要求，如需要OCT或FFPE样本，在样本准备过程中的注意细节较多，比如石蜡样本的离体时间、固定时间等，包括组织本身的结构特点，比如存在较多的坏死、纤维化、钙化等区域也会影响基因检出。而这限制了样本来源的多样性。

灵敏度和精度提升：提高灵敏度和精度是实现单细胞分辨率的关键，这需要改进实验技术和细胞分割算法。

多组学同片检测的性能：当前能够实现空间多组学（空间转录组/空间蛋白组/空间代谢组）同步检测的技术仍相对较少，目前大多技术还是基于临片同时进行空间多组学的整合，后期基于形态进行分析，而这限制了对同一张切片上细胞状态全面理解的能力。

技术整合与兼容性：将空间转录组技术与其他生物信息学技术如蛋白质组学、代谢组学等整合，以获得更全面的生物学视图，是目前研究中的一个难点。目前存在较大的问题是空间多组学样本前处理方式存在差异，尤其是对包埋剂的兼容性问题。

3D测序技术发展：在3D测序领域，当前方法包括对多张连续的组织切片进行整合，或对更厚的组织切片进行原位测序，这些方法仍需进一步发展以提高空间分辨率和数据质量。

成本与通量权衡：高精度的空间转录组测序成本较高，且在单次实验中能够检测的细胞数量有限，这限制了其在大规模研究中的应用。

技术成熟度与优化需求：尽管Visium HD和Stereo-seq技术在分辨率上取得了突破，但这些技术仍然相对新颖，需要进一步的优化和标准化以提高其数据的产出稳定性。

尽管空间转录组学技术在多组学兼容性和基因检测效率上仍有提升空间，但随着技术的不断进步，高分辨率的空间转录组技术不仅提高了我们对组织细胞功能、微环境互作、发育过程谱系追踪以及疾病病理学等多个领域的认知，而且随着技术的不断进步，未来可能会在更多物种和组织类型上得到广泛应用，为生物医学研究开启新的篇章。让我们一起期待高清空间转录组学技术带来的更多突破！

关于联川

杭州联川生物致力于为全球各地的科研用户提供基因组、转录组、表观组、蛋白组、代谢组，以及单细胞和空间组学测序服务。

单细胞和空间转录组测序作为联川重点科研服务产品，目前已经搭建完成包括10x单细胞测序（ScRNA-seq、ScRNA-seq＆VDJ及ScATAC seq），10x空间转录组测序（Visium 、CytAssist），10x Xenium及华大时空组学（stomics）测序平台。联川生物实现从nm到um，从单细胞到亚细胞的全生态单细胞空间原位检测的布局。在样本制备和生物信息学分析，以及云分析平台方面充分发挥自身优势，联川生物致力于为客户提供优质的服务。

目前已经与多个国家及地区的100多个科研院校、医院、制药公司建立起了长期的合作伙伴关系，累计发表单细胞和空间转录组测序相关的SCI高质量论文已超过百篇，影响因子平均15+，其中空间转录组相关文章数十篇（包含单细胞&空间转录组联合分析文章）。联川在单细胞&空间组学整合分析具备成熟的流程和云分析工具，对于数据挖掘和生物学故事具备深度的理解力，是值得信赖的多组学整合专家！

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