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什么是空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序

空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)（Spatial Transcriptomics）是指在組織切片上完成，保留樣本空間信息的組學(xué)研究。空間轉(zhuǎn)錄組可展示組織切片中不同區(qū)域的基因表達(dá)情況，揭示精細(xì)病理區(qū)域中激活的信號(hào)通路，完成分子特征驅(qū)動(dòng)病理特征的機(jī)制解析。空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)完成了病理數(shù)字化結(jié)合病理影像化的技術(shù)革新，對(duì)于診斷標(biāo)志物、耐藥位點(diǎn)以及靶向藥物的研發(fā)，免疫治療等新興領(lǐng)域都具有重要作用。

什么是原位分析技術(shù)？

烈冰生物亞細(xì)胞原位空間組學(xué)技術(shù)引進(jìn)10X genomics Xenium平臺(tái)，將新鮮冷凍（FF）和石蠟包埋（FFPE）組織中的數(shù)百種RNA進(jìn)行表達(dá)分析并精確到亞細(xì)胞（200納米）定位，相較 Visium 空間轉(zhuǎn)錄組擁有更高的檢測(cè)精度，將會(huì)對(duì)我們理解腫瘤微環(huán)境、免疫、神經(jīng)科學(xué)、細(xì)胞特異性、生物發(fā)育等方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，并進(jìn)入空間單細(xì)胞/亞細(xì)胞研究的新時(shí)代。

設(shè)計(jì)原理檢測(cè)通量空間信息保留實(shí)驗(yàn)成本代表性技術(shù)

是

空間轉(zhuǎn)錄組

Spatial barcode標(biāo)記空間信息

烈冰的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)

較低

高

部分
僅顯示切取部位在組織中的空間信息，無細(xì)胞內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)

LCM-seq

顯微鏡下切取待檢測(cè)組織

LCM-seq、Neo-seq

高

需激光共聚焦顯微鏡，需經(jīng)驗(yàn)豐富人員進(jìn)行顯微切割操作

是

FISH-seq

抗體識(shí)別，熒光標(biāo)記

MERFISH、Seq-FISH

高

中

受熒光檢測(cè)通道限制

針對(duì)基因設(shè)計(jì)探針，需激光共聚焦顯微鏡，需反復(fù)雜交和圖像讀取

部分
僅顯示切取部位在組織中的空間信息，無細(xì)胞內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)

流式分選

選取特定細(xì)胞，需要特異性抗體對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分選

FACS, INTACT

較低

高

是

亞細(xì)胞|原位分析

基于Padlock探針的多輪熒光檢測(cè)技術(shù)

Xenium in situ

高

中

目前可檢測(cè)多達(dá)400個(gè)RNA，未來可檢測(cè)1000+

基因panel可定制、自動(dòng)完成熒光探針雜交、成像和解碼

Xenium技術(shù)原理概覽

Visium空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的原理

當(dāng)組織冷凍切片附在帶有spatial barcode的空間轉(zhuǎn)錄組芯片上時(shí)，通過透化處理，細(xì)胞內(nèi)的mRNA釋放出來，從而被芯片上帶有oligo-dT的探針捕獲。被捕獲的mRNA開始逆轉(zhuǎn)錄，得到的cDNA中包含了spatial barcode序列。通過上機(jī)測(cè)序，可以將每個(gè)mRNA轉(zhuǎn)錄的序列映射回組織切片中的映射回組織切片中的原始位置。

Visium空間轉(zhuǎn)錄組的核心在于芯片部分：

正式文庫構(gòu)建的芯片上有4個(gè)捕獲區(qū)域（6.5mm X 6.5mm，可以檢測(cè)4個(gè)樣本）
每個(gè)捕獲區(qū)域含有約5000個(gè)被條形碼標(biāo)記的點(diǎn)（barcoded spots）
每個(gè)spot直徑55μm，每個(gè)spot能捕獲1-10個(gè)細(xì)胞
spot與spot中心點(diǎn)之間的距離為100μm
每個(gè)spot含有上百萬個(gè)可以與mRNA結(jié)合的捕獲探針，每個(gè)探針上都帶有獨(dú)特的spatial barcodes，用以標(biāo)記捕獲的mRNA的空間位置

Visium FFPE空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的原理

在Visium FFPE組織中，樣本切片需先和預(yù)設(shè)的探針（probe）雜交，進(jìn)一步完成連接反應(yīng)，再透化釋放連接probe與載玻片上的探針結(jié)合，從而捕獲基因表達(dá)信息。

Visium FFPE解決方案針對(duì)每一個(gè)基因（1.8萬個(gè)人類基因以及2萬個(gè)小鼠基因），都預(yù)先設(shè)計(jì)了一對(duì)probe以靶定RNA的特定序列
LHS（左端探針）帶有read2序列，用以后續(xù)PCR擴(kuò)增；RHS（右端探針）帶有polyA序列，用以后續(xù)被玻片探針捕獲結(jié)合
通過probe與組織內(nèi)RNA雜交，將RNA信息轉(zhuǎn)移到probe上，再將探針兩端連接形成完整的DNA鏈。之后降解雜合RNA鏈，透化釋放連接probe

技術(shù)難點(diǎn)和烈冰解決方案

無冷凍切片條件可以進(jìn)行空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序嗎？

烈冰提供空間轉(zhuǎn)錄組全流程服務(wù)，包括樣本包埋、貼片、選片、HE染色、拍照成像、組織透化、建庫測(cè)序以及后續(xù)的FISH驗(yàn)證等各個(gè)步驟，為您提供無憂服務(wù)。

冷凍切片質(zhì)量可否保證？

烈冰搭建了以萊卡CM1950冷凍切片機(jī)、尼康多熒光通路全自動(dòng)掃描顯微鏡、3Dhistech-midi數(shù)字掃描儀為基礎(chǔ)的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并制定嚴(yán)格規(guī)范的實(shí)驗(yàn)室SOP，經(jīng)過大量的切片、貼片實(shí)操演練，對(duì)不同類型組織的切片厚度、溫度進(jìn)行優(yōu)化，確保獲得最優(yōu)質(zhì)量的冷凍切片。

空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)量大，分析困難怎么辦？

利用NovelBrain云分析平臺(tái)，搭建0代碼需求的空間轉(zhuǎn)錄組分析流程，準(zhǔn)確快速解析空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。

空間區(qū)域內(nèi)細(xì)胞類型如何判定？

取同一樣本組織的相鄰區(qū)域進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，通過單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)和空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的整合分析，判定空間區(qū)域內(nèi)的細(xì)胞類別，精確解析組織空間內(nèi)的異質(zhì)化信息。

Xenium分析儀每次運(yùn)行可分析多少個(gè)樣本?

每次運(yùn)行時(shí)可分析兩張Xenium載玻片。每張Xenium載玻片上的可成像區(qū)域?yàn)?0.45× 22.45 mm，其上可放置組織切片，因此每張載玻片上可包含多張組織切片。 06 原位空間組學(xué)可以解決的科學(xué)問題?

原位空間組學(xué)可以解決的科學(xué)問題?

亞細(xì)胞分辨率可以鑒定細(xì)胞間相互作用，挖掘病理狀態(tài)，了解疾病背后的生物學(xué)機(jī)制；Xenium原位分析數(shù)據(jù)與單細(xì)胞數(shù)據(jù)進(jìn)行直接比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤微環(huán)境中細(xì)胞類型的解析、不同基因表達(dá)的分析；

空間多組學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域

病理學(xué)

通過添加基因表達(dá)維度，得出形態(tài)學(xué)結(jié)論；

通過觀察基因表達(dá)區(qū)域，了解可能發(fā)生假陰性/假陽性的位置

腫瘤學(xué)

腫瘤微環(huán)境及腫瘤異質(zhì)性，研究空間位置上腫瘤組織與癌旁、正常組織基因表達(dá)的區(qū)別；

腫瘤發(fā)生發(fā)展、浸潤(rùn)、轉(zhuǎn)移等不同階段腫瘤細(xì)胞的變化對(duì)正常細(xì)胞的影響

免疫學(xué)

免疫細(xì)胞浸潤(rùn)、不同區(qū)域的免疫細(xì)胞中的基因表達(dá)特征；

免疫群體擴(kuò)散、不同類型免疫細(xì)胞的空間位置解析

神經(jīng)科學(xué)

大腦皮層層狀組織解析，揭示大腦皮層的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系；

正常vs.疾病大腦結(jié)構(gòu)特征分析與疾病相關(guān)的基因表達(dá)于特定的大腦皮層

發(fā)育生物學(xué)

通過解析每個(gè)發(fā)育階段不同解剖區(qū)域特有的基因表達(dá)特征，解析組織中與形態(tài)形成相關(guān)基因；

豐富基因表達(dá)的空間注釋信息，創(chuàng)建組織發(fā)育的空間細(xì)胞圖譜

空間多組學(xué)優(yōu)勢(shì)

提供實(shí)驗(yàn)操作更精細(xì)的冷凍解決方案

- 烈冰配置了LEICA?CM1950冷凍切片機(jī)，搭配切片經(jīng)驗(yàn)豐富的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，可以提供一致性更高、實(shí)驗(yàn)操作更精細(xì)的冷凍切片準(zhǔn)備方案

- 保持密切高效的溝通，設(shè)計(jì)更適合的實(shí)驗(yàn)方案，確保每一個(gè)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)有效進(jìn)行

高清明場(chǎng)和熒光場(chǎng)拍攝成像解決方案

- 烈冰升級(jí)配置尼康相差顯微鏡和CCD成像系統(tǒng)，更高清分辨率解析組織切片原始圖像信息

- 10X,20X,40X,60X更多物鏡選擇，為不同大小的樣本提供更清晰的圖像

- 更精細(xì)的圖像信息采集、拼接策略，為樣本內(nèi)微小區(qū)域的組織學(xué)提供更清晰的影像

烈冰CytoNavigator云分析平臺(tái)

- 原拖拽式頁面全新升級(jí)，真正實(shí)現(xiàn)分析0代碼，?信不求?，助力用戶挖掘數(shù)據(jù)背后的生物學(xué)意義

- 解決空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)分析中由于超大數(shù)據(jù)量、超高的質(zhì)控要求以及繁多分析需求而引起的分析困難

- 做到快速可定制化完成空間轉(zhuǎn)錄組分析

提供免疫組化（Immunohistochemistry）和熒光原位雜交（FISH）服務(wù)

- 擁有行業(yè)先進(jìn)的3DHISTECH公司的PANNORAMIC系列的數(shù)字切片掃描儀，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)明場(chǎng)與熒光場(chǎng)下冷凍切片的快速掃描成像；

- Z-Stack多層聚焦掃描及Extended Focus 景深擴(kuò)展多層融合掃描模式，進(jìn)一步提升分辨率和清晰度，保證切片高分辨的數(shù)字圖像信息精準(zhǔn)采集；

- 能夠滿足針對(duì)分析結(jié)果中感興趣基因的RNA-FISH驗(yàn)證以及組織切片的免疫組化的高清成像，獲取表達(dá)與定位信息。

定制化一站式服務(wù)

- 烈冰生物真正實(shí)現(xiàn)空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序的全程把控，做到從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、空間信息標(biāo)記、建庫測(cè)序、定制化分析的全流程一站式服務(wù)，助力高分文章發(fā)表

- 資深的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)保證樣本的高度一致性；專業(yè)的生物學(xué)團(tuán)隊(duì)提供個(gè)性化的產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景解讀、保持對(duì)生物學(xué)意義的關(guān)注；強(qiáng)大的生信分析團(tuán)隊(duì)一對(duì)一地進(jìn)行詳實(shí)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)并提供多次售后分析

實(shí)驗(yàn)流程

樣本要求

空間轉(zhuǎn)錄組送樣

可接受樣品類別

冰凍組織:新鮮樣本經(jīng)液氮預(yù)冷的異戊烷速凍，-80℃保存
OCT包埋組織:新鮮組織異戊烷速凍后進(jìn)行OCT包埋，或新鮮組織直接OCT包埋后-80℃速凍,注意標(biāo)明樣本方向，樣本于-80℃保存

樣本處理和運(yùn)輸過程需要在低溫環(huán)境

Xenium送樣:

新鮮冷凍（FF）樣本：新鮮組織OCT包埋后-80℃速凍，可連同包埋模具一同保存運(yùn)輸，在包埋模具上好做方向標(biāo)記，用于確定切片方向；
石蠟包埋（FFPE）樣本：包埋好的石蠟塊或石蠟切片3-5張，4℃保存，干燥運(yùn)輸

其它注意事項(xiàng)：

1.可聯(lián)系烈冰提供Xenium專用玻片，由老師自行貼片，樣本處理和運(yùn)輸過程需要在低溫環(huán)境
2.多樣本拼片，需保證同一玻片選擇的Panel相同
3.組織大小要長(zhǎng)寬小于10.45mm*22.45mm（實(shí)際捕獲區(qū)域大?。?br> 4.切片質(zhì)檢：HE染色質(zhì)控判斷組織形態(tài)、空間信息保留是否完好，DV200 > 30%（DV200 為檢測(cè)樣品中大于 200nt 的 RNA 百分比）
5.目前商業(yè)化panel僅支持人和小鼠物種（可定制增加100 genes），具有注釋良好的轉(zhuǎn)錄組的其它物種需要提前定制設(shè)計(jì)（具體細(xì)節(jié)請(qǐng)?jiān)谒蜆忧芭c我司進(jìn)行提前溝通）

結(jié)果展示

點(diǎn)陣亞群分析

基于每個(gè)點(diǎn)陣的基因表達(dá)量，采用聚類算法對(duì)細(xì)胞進(jìn)行亞群分析，同時(shí)采用t-SNE分析對(duì)各點(diǎn)陣的空間排布進(jìn)行可視化展示

解剖區(qū)域細(xì)分

以每個(gè)點(diǎn)陣中的表達(dá)量數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，根據(jù)指定的解剖區(qū)域（臨近切片或者當(dāng)前切片）進(jìn)行結(jié)果展示，包括基因區(qū)域的集中展示

點(diǎn)陣簇Marker基因分析

可視化展示不同點(diǎn)陣亞群中Marker基因的表達(dá)分布：Aldoc星狀膠質(zhì)；GAdl抑制性神經(jīng)元；Mbp少突膠質(zhì)細(xì)胞；Slc17a6興奮性神經(jīng)元

信號(hào)通路富集分析

采用個(gè)性化分析策略，在研究者關(guān)注的點(diǎn)陣、區(qū)域、樣本中分析研究者關(guān)注的基因集

細(xì)胞通訊分析

采用Cellphone算法，針對(duì)不同點(diǎn)陣亞群cluster之間或內(nèi)部的Ligand-Receptor關(guān)系進(jìn)行分析，展示了微環(huán)境中跨細(xì)胞類型的通訊關(guān)系，幫助解析微環(huán)境的形成機(jī)制和調(diào)控機(jī)理

文獻(xiàn)案例

整合空間和單核轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)闡明了具有抑郁樣行為的雌性食蟹猴的小膠質(zhì)細(xì)胞特異性反應(yīng)

發(fā)表時(shí)間：2023 年 7 月

發(fā)表期刊：Nature Neuroscience

影響因子：25

發(fā)表單位：重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院

研究背景：根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）的數(shù)據(jù)，自2017年以來，重度抑郁癥（MDD）已成為世界上最主要的殘疾原因之一，其潛在的細(xì)胞和分子機(jī)制已有研究者對(duì)于男性的MDD基于單細(xì)胞分辨率進(jìn)行初步探索（Corina Nagy, Nat Neurosci, 2020）。

研究方法：單細(xì)胞核測(cè)序、空間轉(zhuǎn)錄組（Visium ST）測(cè)序

研究結(jié)果：

基于單細(xì)胞測(cè)序、空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序等多種技術(shù)手段，揭示了細(xì)胞類型和皮層特異性基因表達(dá)的變化特征。共鑒定出 8個(gè)細(xì)胞大類，240 個(gè)不重復(fù)的差異表達(dá)基因，這些基因主要富集在膠質(zhì)細(xì)胞；研究者同時(shí)采用共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析鎖定了小膠質(zhì)細(xì)胞是低等級(jí)抑郁猴中改變的關(guān)鍵細(xì)胞群；亞型分析發(fā)現(xiàn)了抑郁猴富集的小膠質(zhì)亞型，將其命名為“抑郁相關(guān)小膠質(zhì)細(xì)胞（PIMID）；進(jìn)一步采用 WGCNA 分析空間組學(xué)數(shù)據(jù)，揭示了抑郁行為、積極以及消極情緒行為模塊對(duì)于基因在空間分布上的差異，而 PIMID主要定位于猴腦解剖腦的第 6 層，以上成果為抑郁癥的靶向干預(yù)提供潛在新靶點(diǎn)。

【1】Schwann cells regulate tumor cells and cancer-associated fibroblasts in the pancreatic ductal adenocarcinoma microenvironment

發(fā)表時(shí)間：202307；發(fā)表期刊：Nature Communications；影響因子：16.6；物種：人；組織：胰腺組織

【2】Targeting neoadjuvant chemotherapy-induced metabolic reprogramming in pancreatic cancer promotes anti-tumor immunity and chemo-response

發(fā)表時(shí)間：202310；發(fā)表期刊：Cell Reports Medicine；影響因子：14.3；物種：人；組織：胰腺組織

【3】Single-cell and spatial dissection of precancerous lesions underlying the initiation process of oral squamous cell carcinoma

發(fā)表時(shí)間：202303；發(fā)表期刊：Cell Discovery；影響因子：33.5；物種：人；組織：口腔組織

【4】Integrating spatial and single-nucleus transcriptomic data elucidates microglial-specific responses in female cynomolgus macaques with depressive-like behaviors

發(fā)表時(shí)間：202307；發(fā)表期刊：Nature Neuroscience；影響因子：25；物種：獼猴；組織：腦組織

【5】High resolution mapping of the breast cancer tumor microenvironment using integrated single cell, spatial and in situ analysis of FFPE tissue （單細(xì)胞、空轉(zhuǎn)和原位分析（Xenium）聯(lián)合解析乳腺癌石蠟切片腫瘤微環(huán)境）

發(fā)表時(shí)間：20231219；發(fā)表期刊：Nature Communications；物種：人；組織：乳腺癌組織

【6】Decoding spatial organization maps and context-specific landscapes of breast cancer and its microenvironment via high-resolution spatial transcriptomic analysis （高分辨率空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析（Xenium）解碼乳腺癌和從屬微環(huán)境的空間組織解構(gòu)及其成因）

發(fā)表時(shí)間：20231030；發(fā)表期刊：bioRxiv；物種：人；組織：乳腺癌組織

【7】Single cell-resolution in situ sequencing elucidates spatial dynamics of multiple sclerosis lesion and disease evolution （單細(xì)胞尺度級(jí)別的原位測(cè)序（Xenium）揭示了多發(fā)性硬化癥病變和疾病演變的空間動(dòng)態(tài)）

發(fā)表時(shí)間：20230630；發(fā)表期刊：bioRxiv；物種：小鼠；組織：頸脊髓

【8】Mapping ovarian cancer spatial organization uncovers immune evasion drivers at the genetic, cellular, and tissue level （原位空間組學(xué)揭示了卵巢癌的免疫逃逸在基因-細(xì)胞-組織水平上的驅(qū)動(dòng)機(jī)制）

發(fā)表時(shí)間：20231019；發(fā)表期刊：bioRxiv；物種：人；組織：卵巢癌組織

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空間多組學(xué)