空間生物學：了解分子、細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。通過整合先進技術(shù)，空間生物學正在改變生物研究的格局。

但什么是空間生物學，研究人員如何利用其工具和思維方式來回答后組學時代日益增長的生物學問題？在本文中，我們將簡要概述空間生物學這一主題、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 XY（或 XYZ）坐標信息被分配給樣本中已識別的生物分子時，由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可被稱為空間生物學。不過，該術(shù)語通常只有在進行大規(guī)模研究時才會被使用——當數(shù)千或數(shù)百萬個細胞、蛋白質(zhì)、轉(zhuǎn)錄本或其他分析物在空間上被解析時。

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

如何生成空間生物學數(shù)據(jù)？

產(chǎn)生空間生物學數(shù)據(jù)的三個主要技術(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 分子進行測序或使用單細胞測序可稱為轉(zhuǎn)錄組學，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)錄組學或空間分辨轉(zhuǎn)錄組學。空間轉(zhuǎn)錄組學方法也可以通過將條形碼標簽與樣本中的 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的方法應用于空間生物學工具集。例如，這種方法可用于探索腫瘤細胞中拷貝數(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)識別樣本中的蛋白質(zhì)被稱為空間蛋白質(zhì)組學或空間分辨蛋白質(zhì)組學。采用這種方法時，可以先對組織區(qū)域進行顯微解剖并進行質(zhì)譜分析，然后再將這些區(qū)域重新對準參考圖像。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)有一個共同的基本方法——制備樣本，然后對組織區(qū)域進行離子化，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，盡管分析物不一定是細胞代謝的直接產(chǎn)物。這類方法可以分析脂質(zhì)（脂質(zhì)組學）、糖類（糖組學），甚至是評估藥效學的藥物分子。這是一種極具挑戰(zhàn)性的方法，它在很大程度上依賴于良好的測量標準，但卻為人們廣泛深入地了解人體組織化學打開了一扇大門。

空間蛋白質(zhì)組學并不一定只能通過質(zhì)譜法來實現(xiàn)。它也可以通過光學顯微鏡和超多標成像工作流程來檢測樣品中的數(shù)十或數(shù)百個蛋白質(zhì)。質(zhì)譜法或多重成像法的不同之處在于復雜性，即單個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或中標，而分析成百上千個分子則可稱為超多標。為什么研究人員要在空間生物學實驗中使用低標技術(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細胞中的精確位置，多重成像可能是實現(xiàn)這一結(jié)果的唯一途徑。

例如，免疫腫瘤學研究人員通常對高度特化的免疫細胞亞型的精確細胞類型特性感興趣。這可能需要五到十個生物標記物的單細胞分辨率才能確定準確的表型，因此需要分辨率更高的低倍增方法。低/中標技術(shù)和超多標技術(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行分析。

超多標成像如何為空間生物學研究提供途徑？

超多標空間生物學有許多工作流程，使用多種技術(shù)，例如：

• 在同一臺設(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)進步與對細胞和組織生物活動的深入了解相結(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：大量的知識已經(jīng)揭示了腫瘤發(fā)生和癌癥進展的許多分子決定因素。由于掌握了這些知識，許多經(jīng)典的致癌基因和致癌途徑已成為治療的靶點，但成功與否參差不齊。一個有希望的治療領(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挑戰(zhàn)。

預測對免疫治療藥物的反應的關(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胞的特性中。腫瘤細胞離血管有多近？是否存在或不存在將腫瘤與周圍環(huán)境區(qū)分開來的免疫細胞？這些免疫細胞是進入還是離開腫瘤區(qū)域？這些細胞是否已對腫瘤做出反應，還是處于衰竭狀態(tài)？腫瘤的基因和蛋白質(zhì)表達是否存在異質(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測免疫療法反應有關(guān)，是空間生物學方法的最佳問題。

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

結(jié)論

空間生物學是一系列工具、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)的不斷進步，研究人員所能提出和回答的問題范圍也將不斷擴大。癌癥生物學、醫(yī)學、發(fā)育生物學等復雜領(lǐng)域都將受到這些技術(shù)突破的深刻影響。采用空間生物學的 "思維方式" 將有助于輕松過渡到使用這些方法，并鼓勵研究人員思考這種方法如何為他們當前的實驗系統(tǒng)及其他系統(tǒng)提供新的見解。

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