空间转录组 | ​Stereo-seq在疾病中的应用研究

Stereo-seq（Spatial Enhanced Resolution Omics-sequencing）作为一种空间转录组学技术，能够以高分辨率在组织切片上捕捉基因表达的空间分布，这对于理解疾病的发生和发展至关重要。通过Stereo-seq，可以在单细胞或细胞群体的水平上绘制出基因表达的空间图谱，从而揭示组织中的细胞异质性、细胞间相互作用以及病理特征的空间分布。这种信息对于研究复杂疾病（如癌症、神经退行性疾病和免疫相关疾病）的机制、寻找新的疾病标志物以及开发精准治疗策略具有重要意义。特别是在肿瘤微环境研究中，Stereo-seq可以帮助揭示肿瘤细胞与周围基质、免疫细胞的相互作用，为理解肿瘤进展和耐药机制提供新的视角。因此，Stereo-seq作为一项前沿技术，正在推动疾病研究向更为精细和精准的方向发展。

文献案例

文献一：探究猕猴下丘脑对肥胖和糖尿病的区域特异性的分子响应

• 发表单位：华大生命科学研究院、复旦大学、西安交通大学医学院、内蒙古大学等

• 发表期刊：Cell Metabolism

• 发表时间：2024

• 影响因子：31.373

• 主要研究结果：

肥胖（obesity，OB）和糖尿病（diabetes，DB）作为典型的两大代谢疾病，目前仍是公共健康的沉重负担，然而，在开发有效治疗方法方面仍面临着重重挑战。下丘脑（hypothalamus）作为控制食欲和能量消耗的主控制器，可以利用专门的结构和不同的细胞类型来持续监测和响应能量状态的变化。在本研究中，研究人员对肥胖和偶发2型糖尿病（T2DM）两种不同代谢疾病下的猕猴下丘脑开展单细胞核RNA测序（DNBelab C snRNA）和空间转录组测序（Stereo-seq），揭示了灵长类动物特异性的簇和基因分布以及空间区域、细胞类型和基因特征特异性变化。

研究发现，弓状核（INF）和脑室旁核（PVN）最容易受到代谢紊乱的影响，其中室旁核对糖尿病更为敏感。在弓状核中，肥胖导致突触可塑性和能量感应能力降低，而糖尿病涉及细胞屏障受损、小胶质细胞激活和神经元炎症反应相关的分子重编程；在室旁核中，糖尿病猕猴的细胞代谢和神经活动受到抑制。空间转录组学数据显示，糖尿病患者的小胶质细胞更倾向于实质细胞而不是第三脑室。本研究发现不仅为研究下丘脑的代谢调控功能提供了丰富资源，有助于更好地理解代谢疾病发生的机制，也能够为肥胖和糖尿病提供更精确、有效的治疗策略。

图1肥胖和糖尿病对猕猴下丘脑结构研究的概览图

文献二：孤独症相关基因Nlgn3如何影响基因表达与社交行为，但却与突触数量无关？

• 发表单位：北京大学深圳研究生院、斯坦福大学、华大生命科学研究院等

• 发表期间：Molecular Psychiatry

• 发表时间：2024

• 影响因子：13.437

• 主要研究结果：

孤独症（又称自闭症），是一种复杂的神经发育障碍，其病因至今尚未完全明确。患有孤独症的人，就像星星的孩子一样，生活在自己的世界里，难以与他人建立正常的社交关系，这种疾病目前仍困扰着全球无数家庭。科学家们一直致力于寻找与孤独症相关的基因和分子，以期开发有效的治疗方法来拯救一个又一个家庭。过去的研究证实，缺失Nlgn3基因的小鼠会表现孤独症样的行为表型。然而，Nlgn3基因在星形胶质细胞中如何发挥作用，一直尚未明确。2024年，深圳湾实验室/北京大学深圳研究生院张勃课题组、华大生命科学研究院、斯坦福大学等机构的研究人员，利用基因编辑、时空组学等技术，明确了孤独症相关基因Nlgn3在大脑星形胶质细胞中的位置及影响小鼠社交行为的作用机制，推翻了过去认为其在星形胶质细胞中的表达会导致孤独症的说法。

本研究中，研究人员利用Stereo-seq，并结合高精度DNBSEQ测序平台，对小鼠大脑进行了“高清扫描”，发现Nlgn3在星形胶质细胞的胞体区域而非末梢。或许这一发现也解释了为何缺失Nlgn3基因并不会影响小鼠的运动能力和焦虑水平，而是改变其社交方式。进一步研究表明：敲除星形胶质细胞中的Nlgn3基因，可改变多种细胞类型中的基因表达，特别是与钙稳态通路相关基因。这可能是Nlgn3基因在星形胶质细胞中影响信息传导的方式之一。

图2基于空间转录组的小脑基因表达重建

文献三：空间转录组学解析牙龈健康与牙周炎的分子机制

• 发表单位：中山大学、首都医科大学等

• 发表期间：SCIENCE CHINA Life Sciences

• 发表时间：2023

• 影响因子：8.00

• 主要研究结果：

牙龈是重要的口腔屏障，牙龈稳态破坏会导致牙周炎，一种人类最常见的炎症性疾病。牙周炎不仅会导致牙齿脱落，还与多种全身疾病密切相关，其严重程度及危害不容小觑。目前的临床治疗主要通过机械清创和抗菌药物，但对重度牙周炎治疗效果不佳且易复发。因此，解析参与牙龈稳态破坏的主要细胞类型、炎症信号及通路，对于开发牙周炎针对性疗法至关重要。中山大学程斌院长研究团队和首都医科大学王松灵院士研究团队合作，利用Stereo-seq获取了牙周细胞的分子指纹并提出了牙周炎免疫分型，精确解析细胞内异常信号分子激活情况，为基于多组学的牙周炎免疫分型及治疗策略开发提供理论依据。

研究团队利用Stereo-seq绘制了牙龈组织的高分辨率空间转录组图谱，并对上皮细胞、成纤维细胞、内皮细胞和免疫细胞等牙龈四种主要细胞类型进行可视化。进一步对牙龈上皮细胞的空间异质性进行了深度分析，通过聚类分析确定了牙龈上皮细胞的3个亚群，发现与正常牙龈组织相比，炎症牙龈组织基底层细胞增加。研究团队结合单细胞数据，还解析了炎症牙龈组织中浆细胞、单核细胞、T细胞、B细胞、中性粒细胞和肥大细胞等免疫细胞的浸润特点。研究发现与健康个体相比，牙周炎患者牙龈中浆细胞、T细胞的丰度显着增加。

研究人员进一步利用PROGENy工具，评估了牙龈中每种细胞类型与炎症反应和组织再生密切相关的通路激活情况。发现TGFβ、JAK-STAT和NF-κB信号通路在发炎牙龈的内皮细胞中激活程度最高。此外，研究团队通过探索牙周炎风险基因，如IFI16、TM9SF2和WNT5A，在牙龈中表达情况，发现IFI16是牙龈中表达较高的牙周炎风险基因，且在内皮细胞中表达丰度最高。综上，该研究利用Stereo-seq空间转录组技术，全面解析了正常和炎症牙周组织细胞组成变化、炎症途径激活情况和牙周炎风险基因的空间表达。该研究结果对牙周炎诊断、预后评估和新药开发提供理论依据，有望借助该项技术开发牙周炎的创新性治疗策略。

图3 STOmics绘制牙龈细胞的空间图谱

文献四：免疫特征基质细胞如何调控早期妊娠的时空动态变化？

• 发表单位：北京大学生命科学学院、北京大学-清华大学生命科学联合中心

• 发表期间：CELL

• 发表时间：2023

• 影响因子：66.85

• 主要研究结果：

子宫内膜蜕膜化是一个短暂的过程，但对成功妊娠至关重要。然而，子宫内膜蜕膜化过程尚未得到系统研究。在本研究中，作者对早期妊娠小鼠体内由不同的免疫细胞、内皮细胞、滋养层细胞和蜕膜基质细胞 (DSC) 构成的蜕膜中枢进行了空间可视化并揭示了DSC的分化轨迹，发现了一种具有双重免疫功能特征的DSC (iDSC)。研究发现，在蜕膜化起始过程中，未成熟的DSC 会募集免疫细胞并在间充质-上皮转化中心诱导蜕膜血管生成。iDSC 能够招募和抑制免疫细胞，控制血管生成，并能促进免疫细胞组装和血管中枢的细胞溶解，以在后期建立蜕膜稳态。值得注意的是功能失调和空间紊乱的 iDSC 会导致血管中枢中免疫细胞的异常积累，从而破坏蜕膜中枢的稳态，并最终导致小鼠出现妊娠并发症。

图4 iDSC蜕膜基质细胞亚群异常导致妊娠早期子宫微环境稳态失调

文献五：腹直肌前鞘下移植,干细胞来源胰岛移植的新突破

• 发表单位：北京大学、中国医学科学院、北京协和医学院

• 发表期间：Nature Metabolism

• 发表时间：2023

• 影响因子：20.8

• 主要研究结果：

糖尿病作为全球范围内威胁人类健康的重大疾病之一。但是当前常用的治疗方法由于难以实现血糖的精准调控，导致多种并发症发生，严重影响患者的生活质量，甚至会危及生命。胰岛移植作为目前治疗糖尿病的最前沿技术，但由于胰岛移植依赖的人胰岛组织供体极其稀缺，致使该治疗策略和方案难以被广泛应用。因此，迫切需要一种更优的技术去治疗糖尿病。去年北京大学邓宏魁研究组、中国医学科学院/北京协和医学院彭小忠研究组、瑞普晨创研发团队合作在全球顶级科学杂志Nature Metabolism上，发表题为Implantation underneath the abdominal anterior rectus sheath enables effective and functional engraftment of stem cell-derived islets (腹直肌前鞘下支持人多能干细胞分化胰岛细胞的高效定植和发挥功能)的研究论文。这一新的研究成果的核心是：开发了一个全新的胰岛移植策略，有效支持人多能干细胞分化的胰岛细胞在体内存活、功能成熟以及功能长期维持。相较于传统的胰岛移植策略，该方案的先进性和优势是，创伤小、操作简便、移植物易于长期追踪观察；更重要的是，多能干细胞分化的胰岛细胞使用该方案移植到体内，细胞功能显著优于临床常用的移植方案。

图5 腹直肌前鞘下移植、皮下移植、肌肉内移植三种不同移植策略比较

文献六：黑色素瘤中的细胞分层,揭示肿瘤生长与转移的新发现

• 发表单位：比利时鲁汶VIB癌症生物学中心等

• 发表期间：Nature

• 发表时间：2022

• 影响因子：69.504

• 主要研究结果：

尽管黑色素瘤的异质性和可塑性不像其他癌症一样那么高，但转录组上，黑色素瘤细胞仍呈现增殖（proliferative）或间质样（mesenchymal-like）两种状态。体内外模型数据显示，可能还有其他状态的黑色素瘤细胞存在。但是人们对于黑色素瘤肿瘤内部异质性了解尚不完全，尤其是不同细胞状态的起源及意义，负责肿瘤生长和转移的是不是同一细胞亚群等。2022年9月21日，来自比利时鲁汶VIB癌症生物学中心的Florian Rambow和Jean-Christophe Marine合作在Nature上发表了题为A cellular hierarchy in melanoma uncouples growth and metastasis的文章。结合小鼠遗传学、单细胞空间转录组、谱系追踪和定量模型，作者提出了黑色素瘤生长的层次模型，在细胞和分子层面上揭示了胚胎神经嵴细胞（neural crest, NC）状态特异性和分化的机理。文章提供了黑色素瘤细胞状态多样性和轨迹时空分辨率的图谱，揭示仅有特定细胞群具备支持肿瘤生长和转移的能力。

图6 NRAS-驱动的黑色素瘤单细胞转录组图谱

基于上述研究案例的盘点，充分说明了Stereo-seq技术在疾病研究中拥有巨大的应用潜力和前景。Stereo-seq平台及其最新的FFPE产品的推出，标志着空间转录组学领域进入了更加蓬勃发展的时代。这一技术的革新不仅深化了我们对生物体内基因表达空间分布的理解，还极大地拓宽了可研究样本的范围和类型，为生物医学研究、疾病机制探索以及药物研发等领域带来了前所未有的机遇。Stereo-seq具有纳米级分辨率、厘米级全景视场、无物种限制等优势，新推出的时空FFPE产品兼容临床常见的FFPE样本，可以实现非编码RNA与微生物共检测。有空间转录组技术需求的，欢迎联系我们~

关于我们

武汉爱基百客生物科技有限公司（简称爱基百客），位于武汉高农生物园，是一家专业提供表观组学科研服务、单细胞与空间组学测序分析和高通量测序分析的新型生物科技服务企业。公司先后引入ChIP、WGBS、ATAC-seq、DNBSEQ-T7、10x Genomics、SeekOne® DD、DNBelabC-TaiM4和Stereo-seq等实验平台，不断提升公司的科研服务能力。

运营至今合作的科研客户超2000家，涵盖国内知名科研院所、高校以及相关生物企业，科研成果曾多次在Science、Cancer Cell、Nature Communications、J HEMATOL ONCOL、Plant Cell 等国际高水平学术期刊发表，受到了客户广泛好评，是国内成长最迅速的高通量测序科研服务企业之一。