科技 | 趙方慶團(tuán)隊(duì)開發(fā)高通量三維空間轉(zhuǎn)錄組新技術(shù)

　　2024年9月10日，中國科學(xué)院動物研究所趙方慶團(tuán)隊(duì)在 Nature Genetics 期刊發(fā)表了題為：Custom microfluidic chip design enables cost-effective three-dimensional spatiotemporal transcriptomics with a wide field of view 的研究成果。

　　該研究結(jié)合了先進(jìn)的網(wǎng)格化微流控設(shè)計(jì)、碳二亞胺化學(xué)和空間組合標(biāo)簽，開發(fā)了一種全新的空間芯片預(yù)制技術(shù)——MAGIC-seq。

　　趙方慶研究表示，相比現(xiàn)有技術(shù)，MAGIC-seq顯著提升了檢測通量，大幅降低了芯片成本和批次效應(yīng)，同時(shí)兼顧了高分辨率和大面積捕獲區(qū)域，為大規(guī)模和復(fù)雜組織研究提供了新的可能性。

　　單組合，多點(diǎn)標(biāo)記

　　近年來，空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)作為一種能夠在組織原位解析基因表達(dá)的技術(shù)，在揭示組織細(xì)胞組成、空間異質(zhì)性和復(fù)雜的細(xì)胞間互作關(guān)系方面發(fā)揮了重要作用，正逐漸成為胚胎發(fā)育、神經(jīng)科學(xué)、疾病發(fā)生等研究方向的有力工具。然而，現(xiàn)有的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)仍然面臨如成本高、視野有限、通量低等瓶頸，嚴(yán)重影響了其在大規(guī)模組織研究和復(fù)雜生物過程分析中的應(yīng)用，尤其是在構(gòu)建三維及多時(shí)空全轉(zhuǎn)錄組圖譜方面的限制更為明顯。

　　論文共同第一作者、中國科學(xué)院動物研究所博士后朱俊杰表示，常規(guī)基于測序的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)為獲取空間位置信息，要么依賴復(fù)雜昂貴的解碼過程，要么通過精密液體工作站進(jìn)行定位，而且通常采用“單點(diǎn)，單標(biāo)記”的策略，即每個(gè)捕獲點(diǎn)通常需要獨(dú)立的條形碼，如需處理多個(gè)樣品或者增大捕獲面積，其時(shí)間和成本也會成比例提升。DBiT-seq和Decoder-seq等基于微流控的方法通過組合標(biāo)簽的方式提高了編碼效率，但通量仍較低，而且難以在保持高分辨率的同時(shí)覆蓋較大的組織區(qū)域。

　　針對這些痛點(diǎn)，MAGIC-seq采用獨(dú)特的網(wǎng)格化微流控芯片設(shè)計(jì)，優(yōu)化空間編碼策略，通過多次交叉反應(yīng)形成“單組合，多點(diǎn)標(biāo)記”的布局，在保證高靈敏度的前提下，顯著提高了檢測通量并降低芯片制備成本，使空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究變得更加經(jīng)濟(jì)可行。同時(shí)，修飾的高度一致性和通量的提升降低了不同樣本間的批次效應(yīng)，這在處理大量樣本的同時(shí)能保證定量的準(zhǔn)確性。

　　拼接芯片

　　在空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究中，如何在擴(kuò)大視野的同時(shí)保持高分辨率一直是一個(gè)難題。通常情況下，擴(kuò)大視野往往以犧牲分辨率為代價(jià)，但這對研究復(fù)雜生物過程、尤其是器官發(fā)育的動態(tài)變化，帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

　　為此，MAGIC-seq提出了“拼接芯片”的概念，即通過調(diào)整網(wǎng)格間距和多輪編碼的方式將多個(gè)捕獲網(wǎng)格拼接在一起，突破了傳統(tǒng)微流控方法的通道限制，實(shí)現(xiàn)了高分辨率與大視野的兼顧。這種擴(kuò)展能力不僅提高了實(shí)驗(yàn)的靈活性，也為大規(guī)模組織研究提供了更廣闊的探索空間。值得注意的是，MAGIC-seq并不局限于特定布局，研究人員可以根據(jù)不同樣本的形狀和數(shù)量，自定義網(wǎng)格的布局，以優(yōu)化通量或拼接芯片的形狀，從而更好地利用空間信息。

　　MAGIC-seq能夠?qū)Χ喾N組織類型進(jìn)行靈敏、高通量、一致的空間檢測

　　為了驗(yàn)證MAGIC-seq的穩(wěn)健性和應(yīng)用廣泛性，研究團(tuán)隊(duì)在包括小鼠大腦、小腦、心臟、肝臟、脾臟、肺和腎臟等多種組織中進(jìn)行了檢測，并與10x Visium平臺和其他方法進(jìn)行了比較。

　　結(jié)果顯示，MAGIC-seq在檢測靈敏度、測序效率和數(shù)據(jù)一致性方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。隨后，研究團(tuán)隊(duì)利用拼接芯片在高分辨率下對從胚胎期到出生后不同發(fā)育階段的小鼠整體切片進(jìn)行了精細(xì)描繪，成功捕捉到不同器官結(jié)構(gòu)逐步形成的過程，以及各發(fā)育階段基因空間表達(dá)的變化，進(jìn)一步鑒定了影響小腦發(fā)育軌跡的關(guān)鍵基因和通路。

　　此外，研究團(tuán)隊(duì)還對發(fā)育中的小鼠大腦進(jìn)行了系統(tǒng)性分析，通過數(shù)百張H&E染色切片和近百張基因表達(dá)樣本，成功構(gòu)建了一個(gè)高質(zhì)量的三維空間轉(zhuǎn)錄組圖譜，充分驗(yàn)證了方法的穩(wěn)健性。這一圖譜不僅展示了小鼠大腦在發(fā)育過程中細(xì)胞和分子的空間分布，還揭示了組織在不同發(fā)育階段的動態(tài)變化。這種多組織、大規(guī)模且兼顧分辨率與視野的高效檢測能力，使MAGIC-seq在廣泛的生物學(xué)研究中具有巨大的應(yīng)用潛力，并為深入理解復(fù)雜生物過程的分子機(jī)制提供了寶貴的數(shù)據(jù)和工具支持。

　　趙方慶研究員表示，MAGIC-seq以其創(chuàng)新和靈活的設(shè)計(jì)，以及顯著的技術(shù)優(yōu)勢，重塑了空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的技術(shù)框架。隨著技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，MAGIC-seq有望成為推動空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究和應(yīng)用的重要工具，并在更廣泛的研究領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

　　來源：生物世界