技术创新丨全球领先—赛陆医疗空间转录组技术

文摘   2024-11-13 18:03   广东  


01
序言








空间转录组技术,作为继单细胞测序技术之后的又一重大技术突破,自问世以来便受到了学术界的极大关注。它不仅在2020年被《Nature Methods》评为“method of the year,更是在2022年被《Nature》杂志列为“seven technologies to watch” 之一。近年来,学术界利用空间转录组学技术在胚胎发育、神经科学、肿瘤医学等领域不断取得突破与进展。空间组学技术的发展日新月异,本文将带您简单了解空间组学相关技术和发展。

02
发展演进








转录组技术的进步经历了三个主要的发展阶段(见图1):第一阶段是多细胞水平上的转录组测序技术,即bulk RNA-seq,它如同水果奶昔,提供了一群细胞基因表达水平的均值,但忽略了细胞间的异质性。第二阶段是单细胞水平的转录组测序,类似于一堆水果,它能够提供单个细胞的基因表达谱,但却失去了细胞在组织内部的空间定位信息。而空间转录组学技术则如同一个水果派,它使得科研人员能够在单个细胞层面上,同时对成千上万个基因表达进行分析,并同时获得它们在组织中的空间位置信息,成为研究细胞间相互作用的重要工具。

图1 转录组技术发展历程


03
类别简析








空间转录组技术主要分为四类,包括微解剖基因表达技术原位杂交技术原位测序技术基于空间条形码芯片的原位捕获技术

(一)微解剖基因表达技术通过机械或光学的方法从样本中分离出目标区域,进行RNA提取和基因表达谱分析。机械方法例如断层扫描测序( Tomo-seq),其对组织切片进行荧光成像,然后在每个成像后的切片上均进行 RNA 测序。光学方法例如激光捕获显微切割(LCM)(图2),利用激光束在显微镜下切割目标组织区域,收集后测序。由于需要收集感兴趣的区域单独进行建库,这种技术的通量较为有限。

图2 激光捕获显微解剖测序(LCM-seq)

(二)原位杂交技术:通过设计特定RNA序列的荧光探针,实现对特定基因的原位检测。早期的技术,例如单分子荧光原位杂交技术(smFISH),能够实现对单个RNA分子的高分辨率成像,检测RNA分子在细胞中的定位和表达。随着技术的发展,科学家们通过荧光探针多轮杂交对不同种类RNA分子进行颜色编码,可以同时检测到几百乃至上千种基因的表达。代表技术是荧光原位杂交(FISH)及其衍生技术如顺序荧光原位杂交(seqFISH)、多重容错性荧光原位杂交技术(MERFISH)(图3)。此类技术具有很高的分辨率(~200 nm),但需要预先选择感兴趣的基因,预先设计探针,或者选择特定的panel来进行检测。

图3 MERFISH技术原理

(三)原位测序技术:通过挂锁探针来靶向已知基因,可以对组织切片内原位进行测序。代表技术有STARmap,其使用条形码挂锁探针与靶标杂交,利用滚环扩增对信号进行放大,并通过杂交引物,经过数轮测序来对不同RNA的条形码进行测序、解码,实现了超过1000种mRNA的同时检测。与原位杂交技术类似,此技术也具有超高分辨率,但也需要预先设计探针或选择panel进行检测。

图4 STARmap原位测序技术原理
(四)原位捕获技术:通过带有空间条形码的基因杂交探针来捕获基因,通过逆转录构建cDNA,对cDNA进行建库并进行高通量测序,同时获得基因表达数据及其空间条形码信息,实现对组织全转录组的空间表征。根据构造芯片方法的不同,原位捕获技术有以下几类(图5):

a. 基于DNA打印技术的微阵列空间条形码,代表技术有10X Visium,其将冷冻组织切片放置在RNA靶向的捕获探针的阵列上,将组织固定后透化以释放RNA,使其与相邻的捕获探针结合,从而捕获基因表达信息。然后从捕获的RNA合成cDNA并测序,最终获得可视化数据。此技术受限于DNA打印的精度,分辨率在100 μm。

b. 基于微流控技术进行空间条形码组合递送,代表技术有DBiT-seq,其利用微流体将空间条形码传递到组织切片上,从而实现直接在组织中对mRNA或蛋白质进行高空间分辨率的条形码编码,此技术实现了10 μm的检测分辨率。
c. 基于空间编码微球阵列芯片的技术,代表技术有slide-seq,通过将含有空间编码的DNA修饰的微球铺到芯片表面来进行芯片构造,分辨率达到了10 μm。
d. 基于二代测序技术原位生成空间条形码,代表技术有基于illumina测序平台的seq-scope, Open-ST, Nova-ST,基于MGI测序平台的Stereo-seq,基于赛陆医疗测序平台的SalusSTS等。其共同点是通过二代测序平台的DNA扩增技术来实现对包含空间条形码的DNA文库进行扩增,通过二代测序技术来对空间条形码进行原位解析,进而生成包含捕获探针的DNA捕获芯片。这些技术基于高通量测序芯片而来,能够达到微米乃至亚微米级别的分辨率。

图5 基于原位捕获芯片的空间组学代表技术

A) Visium平台芯片;B)基于微流控芯片的DBiT-seq技术;C) 基于DNA寡核苷酸修饰微球芯片的slide-seq技术;D)基于二代测序芯片的stereo-seq技术。


04
领先技术SalusSTS








赛陆医疗空间转录组技术SalusSTS基于赛陆高通量二代测序平台构建原位捕获芯片。芯片表面通过杂交扩增的形式种植着高密度探针簇,这些探针簇由随机生成的空间条形码序列SBC、UMI序列和Poly T序列等核心序列组成。最后,通过测序解析空间条码序列与坐标位置的映射关系,得到带有空间编码信息的空间转录组芯片。赛陆医疗空间转录组芯片通过独特的表面扩增技术,在实现了高分辨率(~1um)的同时,也实现了超高密度探针覆盖,达到~55,000/um2,显著高于其他空间转录组技术芯片,是目前灵敏度最高的空间转录组技术之一。赛陆医疗空间转录组技术将成为您科研路上的有力工具。 

图6 赛陆医疗空间组学技术SalusSTS

空间组学技术在灵敏度、检测通量、分辨率等方面不断取得突破。除了空间转录组学,空间蛋白组学、代谢组学、表观遗传组学等技术也不断涌现和发展,空间多组学联合分析更是生命科学领域的重要趋势。赛陆医疗将不断深耕空间组学领域,拓展空间组学技术和相关应用,为广大科研工作者提供最前沿的技术手段。








关于赛陆医疗


赛陆医疗创办于2020年,是国家高新技术企业和国家专精特新小巨人企业,专注于开发自主知识产权的上游测序平台,并基于其上构建了全球领先的超分辨空间组学平台,实现基因组学和空间组学产品的自主开发及科研临床端转化。公司突破了以往测序和组学产品在通量、成本、分辨率、自动化等方面的瓶颈,取得欧盟CE-IVDR等多项关键认证。公司发展迅速,现拥有国际领先的测序和组学平台,可以为中下游应用提供全面的解决方案,产品畅销海内外。





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以自主研发顶尖自动化、智能化空间生物学基础设施为己任,以透视基因组、转录组、表观组、代谢组、蛋白组的功能及相互作用网络为目标,打造探索人类生命构造的理想工具。
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