空间组学（Spatial Omics）技术在2022年被《Nature》杂志列为最值得关注的七大技术之一，被誉为“生命科学”的下一个风口。近期，剑桥大学Gregory J. Hannon团队在《Science》期刊发表了题为“The dawn of spatial omics”的综述，该文对多种空间组学技术进行了整理与总结，列举各个技术平台的技术原理及优缺点，为各位老师后续的选择提供依据。

1基于多重抗体检测的空间蛋白质组学方法

主要包括两个技术流：

(1) 质谱流式细胞技术(IMC或MIBI)

该技术是基于结合同位素纯镧系金属的抗体的检测。每种抗体通过螯合聚合物与不同的金属结合。在成像过程中，激光逐像素蒸发组织。从每个点释放的金属用质谱仪定量。金属的分布可以用来推断组织中特定蛋白质抗原的存在和空间分布。由于镧系元素在生物材料中基本没有，组织蛋白质可以得到很精确的鉴别，信噪比高，但由于纯金属数量有限，只能覆盖约50个。

(2) 多重循环免疫荧光（CODEX、CyCIF、4i、Cell DIVE、MACSima）

该技术是在重复成像周期中检测常规标记的荧光抗体。CODEX平台技术是基于所有抗体与样品结合，并通过二级探针进行循环检测，通常是荧光核苷酸杂交或连接到附着在抗体上的“根”。在其他技术平台下（CyCIF， Leica Cell DIVE和Miltenyi MACSima），抗体本身是循环结合的，在每一轮检测后被剥离，或者通过光漂白或化学切割使其无法检测。多重循环免疫荧光技术具有高通量、成本比低、分辨率高、信噪比低的特点。

2 基于空间转录组和基因组学的方法

“空间转录组学”的技术的最终目的是在整个组织样本的三维空间中，以亚细胞分辨率测量整个组织样本的亚细胞转录组学。遗憾的是，目前没有一种技术能够达到这一目标，这些技术在很大程度上可以被认为是“2D”方法。每个产品都在敏感性、承载力、分辨率或易用性方面进行权衡。

空间基因组基于以下四种主要技术方法:

(1)显微解剖方法（Nanostring GeoMx、Light-seq、ZipSeq、TIVA）

通过物理分离的方法将生物分子从组织特定区域分离出来。激光捕获显微解剖（LCM）通常用于分离小区域进行 RNA 测序，并且可以达到单细胞分辨率。这种方法的通量达到 bulk 测序水平，感兴趣的区域从单个细胞定制到整个区域。但显微解剖技术吞吐量相对较低，每个选定的区域都必须单独收集和处理。

(2) 组合荧光原位杂交(FISH)（MERFISH、Nanostring CosMX、10X Xenium、seqFISH+、SmFISH、OSmFISH、seqFISH）

该技术不同平台具有通性有：(i)都是一种通过短DNA探针杂交将组合条形码与转录本相关联的方法；(ii)都是通过荧光成像周期逐个元素读取条形码的方法；(iii)无论是通过探针数量还是通过信号放大的方法，都要在每个分子上产生足够信号以进行后续的检测；(iv)每个周期后都有复位信号的方法。该技术具有较好的灵敏性，但目前存在荧光信号较弱，个性化定制程度较高，且不同组织需要不同的 panel 设计，技术复杂性，限制了该类技术的广泛应用，但其中一些技术平台的商业化处于孵化阶段，正在变得可行。

(3) mRNA分子原位测序（STARmap、Barusta Seq、ISS、ExSeq、FISSEQ）

该技术主要是是通过对检测到的转录本产生的圆形模板进行滚圈扩增（RCA）来产生 DNA“纳米球”(rolony)。每个 mRNA 分子产生一个单独的克隆，允许转录物定量。由于操作的复杂性，实验过程中有许多变量，长读取在原位比在流式细胞上更难执行，该技术最大读取长度约为 30 个核苷酸。对技术设备而言，单分子显微镜挑战性高，需要极其精确的仪器和进程，同时检测灵敏度也会因细胞大小而产生偏差，这都导致该技术商业化的平台较少。

(4) 空间条形码技术（10X Visium、Slide-seq、HDST、Seq-Scope、Stereo-seq和PIXEL-seq）

该技术使用微阵列技术，将有序的寡核苷酸阵列沉积在载玻片上（这使得批量测序后能通过计算映射回芯片空间位置），将薄的组织切片覆盖在阵列上，进行透化操作使细胞的 RNA 扩散到带有条形码的寡核苷酸上，并原位反转录以产生带有空间索引的 cDNA，然后产生文库并进行测序。

该技术能够产生长测序读数，可以不依赖复杂的成像仪器、高效快速的实验、同时能道道高通量，这些优点极大地促进了该技术的商业应用。当然，该技术也存分辨率低、单个样品的成本高以及 RNA 捕获效率低等缺点。

3 针对不同的空间组学技术，

作者进行了多方面的总结并给出不同的选择建议

针对要做蛋白质分析的研究者来说，主要需要考虑是选择 IMC-MIBI 技术还是选择循环免疫荧光技术。

IMC 和 MIBI 技术，前者的分辨率相对较低，通常不足以检测细胞核和膜以外的任何亚细胞结构；后者能提供更高的分辨率，但处理速度慢；循环免疫荧光技术成本较低，通量高，分辨率高，信噪比低。

针对要做空间转录组学的研究者来说，可选择的技术平台很多，需要考虑的复杂性也更高。

杂交方法具有更好的灵敏度，但通常荧光信号较弱，个性程度较高，不同组织需要不断地优化，对切片技术要求也较高，通常切片厚度在10-20μm上表现最佳；原位测序方法可以对更厚的切片样品进行成像（最厚100μm左右），但该技术缺陷较明显，其灵敏度最低，商业化产品较少。基于条形码方法的空间技术商品化程度最高，但其有分辨率较低，成本高的缺点。如果研究者有明确的目标，只需要对几个空间位置进行深度剖析时，可以考虑激光捕获解剖或空间标记方法。

4 展望

当前，我们仍处于空间组学时代的开端，未来将会发生与过去几年一样多的革命和进步。作者认为空间组学领域未来的发展趋势主要体现在三个方面：

(i) 更广泛的商业仪器和试剂供应强强联合，提高技术应用的普及性及可行性，使得空间分析方法将变得更快、更可靠、更强大；

(ii) 空间多组学技术兴起，模仿分解单细胞技术的进化，能同时测量基因组学、转录组学和蛋白质组学。

(iii) 剖析深度可能会继续增加，空间分析将更接近真正的3D 轮廓。

今天的分享就先到这里，我们后续也会分享国内市场上商业化比较成熟的空间技术更加细节的内容，我们与您共同期待着国内空间组学技术百舸争流、千帆竞发的一天！