一項由威爾康奈爾醫學院、紐約長老會醫院和紐約基因組中心的研究人員共同領導的研究表明，一種新方法可以以前所未有的分辨率闡明整個器官或腫瘤中細胞的身份和活動。

1月2日發表在《自然生物技術》(Nature Biotechnology)雜志上的一篇論文描述了這種方法，它記錄了組織樣本中基因活動模式和細胞中關鍵蛋白質的存在，同時保留了細胞精確位置的信息。這使得創建復雜的、數據豐富的器官“地圖”成為可能，包括病變器官和腫瘤，這可能在基礎和臨床研究中廣泛應用。

“這項技術令人興奮，因為它使我們能夠繪制組織的空間組織，包括細胞類型、細胞活動和細胞間的相互作用，這是前所未有的”。

論文一位共同通訊作者是位于加州的生物技術公司10x Genomics的Marlon Stoeckius博士，該公司生產用于組織樣本中細胞分析的實驗室設備。三位共同第一作者是Nir Ben-Chetrit博士、Xiang Niu和Ariel Swett，他們分別是實驗室的博士后研究員、研究生和研究技術員。

這種新方法的誕生來自科學家和工程師們的共同努力，他們正在開發更好的方法，在微觀尺度上“觀察”器官和組織是如何工作的。近年來，研究人員取得了重大進展，特別是在分析單個細胞或小細胞群中的基因活性和其他信息層的技術方面。然而，這些技術通常需要溶解組織，并將細胞與鄰近細胞分離，因此有關被測細胞在組織中的原始位置的信息就會丟失。這種新方法也能捕捉到空間信息，而且分辨率很高。

該方法被稱為空間蛋白質和轉錄組測序(SPOTS)，部分基于現有的10x基因組學技術。它使用玻璃載玻片，適用于用普通的基于顯微鏡的病理方法對組織樣本進行成像，其中也有涂有數千種特殊的探針分子。每個探針分子都包含一個分子“條形碼”，表示其在載玻片上的二維位置。當薄片組織樣本被放置在載玻片上并使其細胞具有滲透性時，載玻片上的探針分子會捕獲相鄰細胞的信使RNA (mRNAs)，后者本質上是活性基因的轉錄本。該方法包括使用與組織中感興趣的蛋白質結合的設計抗體，也可以與特殊的探針分子結合。通過快速、自動化的技術，研究人員可以識別捕獲的mRNA和選擇的蛋白質，并將它們精確地映射到它們在組織樣本中的原始位置。所得到的圖可以單獨考慮，也可以與樣本的標準病理成像進行比較。

研究小組展示了正常小鼠脾臟組織上的SPOTS，揭示了該器官的復雜功能結構，包括不同細胞類型的集群，它們的功能狀態，以及這些狀態如何隨著細胞位置的變化而變化。

為了突出SPOTS在癌癥研究中的潛力，研究人員還用它來繪制小鼠乳腺腫瘤的細胞組織。由此產生的圖譜描繪了被稱為巨噬細胞的免疫細胞在兩種不同狀態下的蛋白質標記——一種狀態是活躍的和抗腫瘤的，另一種狀態是免疫抑制的，并形成保護腫瘤的屏障。

“我們可以看到，這兩種巨噬細胞亞群存在于腫瘤的不同區域，并與不同的細胞相互作用——微環境的差異可能導致了它們不同的活動狀態”。

作者補充說，腫瘤免疫環境的這些細節（由于腫瘤內免疫細胞的稀疏，通常無法解決的細節）可能有助于解釋為什么一些患者對免疫增強療法有反應，而另一些則沒有，因此可以為未來免疫療法的設計提供信息。

SPOTS的初始版本具有空間分辨率，這樣得到的數據集的每個“像素”至少可以匯總幾個細胞的基因活動信息。然而，作者表示，研究人員希望很快將這種分辨率縮小到單個細胞，同時增加其他層的關鍵細胞信息。

Journal Reference:

1. Nir Ben-Chetrit, Xiang Niu, Ariel D. Swett, Jesus Sotelo, Maria S. Jiao, Caitlin M. Stewart, Catherine Potenski, Paulius Mielinis, Patrick Roelli, Marlon Stoeckius, Dan A. Landau. Integration of whole transcriptome spatial profiling with protein markers. Nature Biotechnology, 2023; DOI: 10.1038/s41587-022-01536-3