2024-08-17
近年(nian)來,空(kong)(kong)間(jian)轉錄組(zu)(ST)方法的(de)(de)(de)(de)(de)開發和(he)應用急劇增加。與(yu)標準的(de)(de)(de)(de)(de)單細胞(bao)方法不同,ST保留了(le)捕(bu)獲的(de)(de)(de)(de)(de)轉錄組(zu)的(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)(kong)間(jian)背景,從而允(yun)許直(zhi)接(jie)觀察細胞(bao)和(he)它們在(zai)組(zu)織空(kong)(kong)間(jian)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)相互作用的(de)(de)(de)(de)(de)排列。而目前市(shi)場上可(ke)用的(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)(kong)間(jian)轉錄組(zu)技(ji)術(shu),其(qi)中(zhong)商業化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)(kong)間(jian)技(ji)術(shu)主要受限于相對較(jiao)高的(de)(de)(de)(de)(de)成本、有限的(de)(de)(de)(de)(de)分辨(bian)率(lv)以(yi)(yi)及高特異性捕(bu)獲等,非商業的(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)(kong)間(jian)技(ji)術(shu)又受限于較(jiao)低的(de)(de)(de)(de)(de)捕(bu)獲效(xiao)率(lv)以(yi)(yi)及繁瑣的(de)(de)(de)(de)(de)實驗操作等,且均還(huan)難以(yi)(yi)實現端對端在(zai)三維空(kong)(kong)間(jian)中(zhong)生成并計算分析ST。 2024年6月德國柏林醫學系(xi)統生物學研究所(suo)在《Cell》上(shang)發表了一(yi)篇關于新的(de)空間(jian)組學技術的(de)文章(IF:45.5):Open-ST:High-resolution spatial transcriptomics in 3D。主要介紹:作為一(yi)種成本效益高的(de)方(fang)法,Open-ST結合了高分辨率(lv)和(he)高效的(de)轉(zhuan)錄組捕獲(huo),以及廣泛的(de)開源實驗(yan)資源和(he)軟件(jian)(jian),可以用(yong)于在二維(wei)和(he)三維(wei)中無(wu)縫的(de)數據加工和(he)分析。(所(suo)有協議和(he)軟件(jian)(jian)可在 //rajewsky-lab.github.io/openst 上(shang)獲(huo)取)
整(zheng)體工作流(liu)程 通(tong)過測(ce)序包含barcode(32nt)、測(ce)序接頭和(he)聚(ju)(dT)區域的(de)(de)(de)(de)寡(gua)核苷酸來生成(cheng)(cheng)空(kong)間(jian)條(tiao)形(xing)碼(ma)(ma)序列及(ji)其(qi)相關(guan)的(de)(de)(de)(de)(x和(he)y)坐(zuo)標(biao);處(chu)理寡(gua)核苷酸以(yi)允許(xu)聚(ju)(A)轉錄本捕(bu)(bu)獲同時(shi)根(gen)據(ju)實驗設計選擇對測(ce)序芯片(pian)進行切割(ge)(ge)成(cheng)(cheng)所需大小(xiao)(若(ruo)選擇3mm*4mm,則可(ke)以(yi)切割(ge)(ge)成(cheng)(cheng)360個(ge)(ge));也能(neng)夠從相同的(de)(de)(de)(de)冷凍(dong)切片(pian)分析組(zu)(zu)織(zhi)形(xing)態(H&E)和(he) ST;在(zai)處(chu)理樣本時(shi),整體流(liu)程(cheng)與常(chang)規(gui)ST技術相仿(fang)。蛋白酶和(he)雜(za)交緩沖液結合在(zai)一個(ge)(ge)溶液中(zhong)(zhong),以(yi)促(cu)進組(zu)(zu)織(zhi)的(de)(de)(de)(de)同時(shi)滲透(tou)和(he) RNA 捕(bu)(bu)獲,進而減少單鏈DNA和(he)RNA分子之間(jian)的(de)(de)(de)(de)靜(jing)電排(pai)斥;利用(yong)qPCR檢測(ce)確(que)定最(zui)(zui)佳(jia)的(de)(de)(de)(de)滲透(tou)條(tiao)件,以(yi)實現最(zui)(zui)大的(de)(de)(de)(de)mRNA捕(bu)(bu)獲;在(zai)文(wen)庫制(zhi)備過程(cheng)中(zhong)(zhong)依據(ju)前(qian)期的(de)(de)(de)(de)qPCR結果,以(yi)確(que)定最(zui)(zui)佳(jia)PCR循環(huan)次(ci)(ci)數;原始H&E圖(tu)像(xiang)自動預處(chu)理,并(bing)使(shi)用(yong)微(wei)調的(de)(de)(de)(de)Cellpose模型將圖(tu)像(xiang)分割(ge)(ge)成(cheng)(cheng)單個(ge)(ge)細(xi)胞(bao);在(zai)核分割(ge)(ge)后(hou),通(tong)過核邊界(jie)的(de)(de)(de)(de)徑向擴展增加了細(xi)胞(bao)質(zhi)上(shang)下(xia)文(wen);使(shi)用(yong)第一次(ci)(ci)測(ce)序運(yun)行中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)條(tiao)形(xing)碼(ma)(ma)坐(zuo)標(biao)以(yi)及(ji)處(chu)理后(hou)的(de)(de)(de)(de)轉錄組(zu)(zu)數據(ju),使(shi)用(yong)Spacemake在(zai)組(zu)(zu)織(zhi)空(kong)間(jian)中(zhong)(zhong)映(ying)射。Open-ST能(neng)夠無偏差(cha)地適(shi)應具(ju)有不同細(xi)胞(bao)大小(xiao)和(he)密度的(de)(de)(de)(de)組(zu)(zu)織(zhi),并(bing)自動從下(xia)游分析中(zhong)(zhong)排(pai)除沒有細(xi)胞(bao)的(de)(de)(de)(de)區域。同時(shi)可(ke)以(yi)在(zai)單細(xi)胞(bao)水(shui)平上(shang)進行數據(ju)分析,并(bing)與成(cheng)(cheng)像(xiang)數據(ju)集成(cheng)(cheng)。最(zui)(zui)后(hou),鑒于高效的(de)(de)(de)(de)轉錄捕(bu)(bu)獲和(he)集成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)計算流(liu)程(cheng),Open-ST適(shi)用(yong)于任何組(zu)(zu)織(zhi)的(de)(de)(de)(de)三維空(kong)間(jian)重(zhong)建(jian)(圖(tu)1-2)。
主要優勢及其應用 高效(xiao)且(qie)穩定地捕(bu)獲轉錄本 Open-ST在多種組(zu)織(胚胎小鼠頭部、成年小鼠海馬體、人類原發(fa)性腫(zhong)瘤)應用(yong)中,均(jun)(jun)展現(xian)了高比例的(de)(de)(de)(de)獨特基(ji)(ji)因(yin)組(zu)映(ying)射轉錄本(65%-78%),并且(qie)只有(you)一小部分讀(du)段(duan)由核糖體RNA 組(zu)成(2.5%-15.3%)。在每個細胞(bao)(bao)中平均(jun)(jun)捕(bu)獲(huo)(huo)到621個基(ji)(ji)因(yin)和880個UMIs,其中42%的(de)(de)(de)(de)高質量細胞(bao)(bao)(所有(you)分割細胞(bao)(bao)的(de)(de)(de)(de) 32%)含有(you)超過(guo) 1,000個轉錄本。所有(you)捕(bu)獲(huo)(huo)的(de)(de)(de)(de)轉錄本中,82% 被發(fa)現(xian)在分割的(de)(de)(de)(de)細胞(bao)(bao)內。在整個數(shu)據集中,10,000個基(ji)(ji)因(yin)占(zhan)到了捕(bu)獲(huo)(huo)的(de)(de)(de)(de)轉錄組(zu)信(xin)息的(de)(de)(de)(de)95%。為評估了Open-ST數(shu)據的(de)(de)(de)(de)庫(ku)復雜(za)性,與現(xian)有(you)的(de)(de)(de)(de)基(ji)(ji)于測序(xu)的(de)(de)(de)(de)ST方(fang)法進行(xing)了比較(jiao)發(fa)現(xian)在相同測序(xu)深度的(de)(de)(de)(de)捕(bu)獲(huo)(huo)效率方(fang)面始終優(you)于其他空間技(ji)術,除(chu)了Visium顯示(shi)出相當的(de)(de)(de)(de)性能(圖(tu)3)。 圖3 高(gao)精度捕獲局部標記基因 Open-ST能夠高精度(du)捕獲(huo)(huo)組(zu)織局部的(de)(de)標記(ji)(ji)基(ji)因。為(wei)了(le)(le)驗證其性能,選取了(le)(le)E13小(xiao)鼠(shu)頭(tou)部(文獻(xian)已報道)進行(xing)測試(shi)。基(ji)于Open-ST數據(ju)結果(guo)大致聚類(lei)反映了(le)(le)胚胎小(xiao)鼠(shu)頭(tou)部的(de)(de)主要解剖區域并共鑒(jian)定了(le)(le)三個神(shen)經(jing)元簇(cu),分別(bie)以(yi)Tbr1、Lhx9或Nefl 表(biao)達(da)為(wei)特征。進一(yi)步的(de)(de)簇(cu)包(bao)括(kuo)成(cheng)纖維細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(表(biao)達(da)膠原(yuan)蛋白)、軟(ruan)(ruan)骨細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)、肌細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)、間充質(zhi)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)和(he)內皮細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)。同(tong)時初步聚類(lei)揭(jie)示了(le)(le)一(yi)組(zu)沒有可(ke)識別(bie)標記(ji)(ji)的(de)(de)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)。在這(zhe)些細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)上(shang),我(wo)(wo)們進行(xing)了(le)(le)子聚類(lei),并鑒(jian)定了(le)(le)我(wo)(wo)們稱之為(wei)神(shen)經(jing)嵴(ji)、顱(lu)面發育、肌肉骨骼發育、免疫和(he)早期血(xue)管的(de)(de)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)群。Open-ST捕獲(huo)(huo)豐富(fu)(fu)的(de)(de)轉錄(lu)組(zu)信息的(de)(de)能力(li),進而能夠對前腦(nao)、中(zhong)(zhong)腦(nao)和(he)后腦(nao)的(de)(de)分割細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)進行(xing)更精細(xi)(xi)的(de)(de)聚類(lei)。前腦(nao)中(zhong)(zhong)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)類(lei)型(xing)的(de)(de)多(duo)樣性和(he)空間分布與(yu)從單一(yi)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)參考圖譜中(zhong)(zhong)整合和(he)轉移(yi)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)類(lei)型(xing)標簽(qian)所獲(huo)(huo)得的(de)(de)結果(guo)相似。此外(wai),為(wei)了(le)(le)調查捕獲(huo)(huo)定位,我(wo)(wo)們將轉錄(lu)本(ben)(ben)在H&E上(shang)繪制成(cheng)虛擬原(yuan)位雜交,強(qiang)度(du)與(yu)基(ji)因表(biao)達(da)相關,結果(guo)與(yu)Allen發展(zhan)中(zhong)(zhong)鼠(shu)腦(nao)圖譜中(zhong)(zhong)的(de)(de)染色體原(yuan)位雜交(ISH)染色高度(du)一(yi)致。同(tong)時通(tong)過局部捕獲(huo)(huo)也反映明顯(xian)的(de)(de)核(he)(he)質(zhi)結構,在研(yan)究成(cheng)年小(xiao)鼠(shu)海馬體半(ban)球(qiu)的(de)(de)冠狀切片發現(xian),通(tong)過細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)分割掩模上(shang)可(ke)視化核(he)(he)保留(liu)的(de)(de)Malat1和(he)線粒(li)體編碼轉錄(lu)本(ben)(ben)計數,顯(xian)示出(chu)了(le)(le)準確的(de)(de)轉錄(lu)本(ben)(ben)定位。Malat1在核(he)(he)中(zhong)(zhong)顯(xian)著富(fu)(fu)集(ji),而線粒(li)體轉錄(lu)本(ben)(ben)在質(zhi)室中(zhong)(zhong)富(fu)(fu)集(ji)(圖4)。 圖4 空間復雜細胞類型捕獲能力 Open-ST具有較好的(de)(de)(de)空(kong)間復雜細(xi)胞(bao)類(lei)型的(de)(de)(de)捕獲(huo)能力。通過(guo)對一個(ge)(ge)原(yuan)(yuan)發(fa)性(xing)頭(tou)頸鱗狀(zhuang)細(xi)胞(bao)癌(ai)腫(zhong)瘤(liu)以(yi)及同一患(huan)者(zhe)的(de)(de)(de)健(jian)康和(he)(he)(he)轉(zhuan)(zhuan)移性(xing)淋巴(ba)結(jie)進行了(le)空(kong)間測序。在(zai)(zai)所有三(san)個(ge)(ge)數據(ju)集中(zhong)(zhong),我們都(dou)鑒定(ding)(ding)(ding)出(chu)了(le)對應于腫(zhong)瘤(liu)、基質(zhi)和(he)(he)(he)免(mian)(mian)疫群(qun)體轉(zhuan)(zhuan)錄多樣(yang)性(xing)的(de)(de)(de)標(biao)記(ji),其(qi)(qi)空(kong)間鄰(lin)近富集與病理學家在(zai)(zai) H&E圖(tu)像中(zhong)(zhong)獨立概述的(de)(de)(de)注(zhu)釋相匹配。例如,“角蛋(dan)白(bai)珍珠”(KPs),作為鱗狀(zhuang)細(xi)胞(bao)癌(ai)的(de)(de)(de)特征(zheng),出(chu)現在(zai)(zai)原(yuan)(yuan)發(fa)性(xing)和(he)(he)(he)轉(zhuan)(zhuan)移性(xing)腫(zhong)瘤(liu)組(zu)織(zhi)中(zhong)(zhong);腫(zhong)瘤(liu)細(xi)胞(bao)和(he)(he)(he)癌(ai)癥(zheng)(zheng)相關的(de)(de)(de)巨噬細(xi)胞(bao)(CAMs)在(zai)(zai)兩種原(yuan)(yuan)發(fa)性(xing)和(he)(he)(he)轉(zhuan)(zhuan)移性(xing)組(zu)織(zhi)中(zhong)(zhong)都(dou)表(biao)(biao)(biao)(biao)達(da)了(le)FABP5;癌(ai)癥(zheng)(zheng)相關的(de)(de)(de)成纖(xian)維(wei)細(xi)胞(bao)(CAFs)(COL1A1+)在(zai)(zai)兩種腫(zhong)瘤(liu)組(zu)織(zhi)的(de)(de)(de)微(wei)環境(jing)中(zhong)(zhong)被鑒定(ding)(ding)(ding)出(chu)來,其(qi)(qi)中(zhong)(zhong)一部(bu)分(fen)(fen)在(zai)(zai)轉(zhuan)(zhuan)移性(xing)腫(zhong)瘤(liu)中(zhong)(zhong)表(biao)(biao)(biao)(biao)達(da)了(le)高水平的(de)(de)(de)ACTA2;內(nei)(nei)皮(pi)細(xi)胞(bao)(PECAM1、ACTA2)在(zai)(zai)原(yuan)(yuan)發(fa)性(xing)腫(zhong)瘤(liu)中(zhong)(zhong)被鑒定(ding)(ding)(ding)出(chu)來,而淋巴(ba)結(jie)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)內(nei)(nei)皮(pi)細(xi)胞(bao)表(biao)(biao)(biao)(biao)達(da)了(le) ACKR1;在(zai)(zai)轉(zhuan)(zhuan)移性(xing)淋巴(ba)結(jie)內(nei)(nei),CXCL8在(zai)(zai)CAM群(qun)體中(zhong)(zhong)表(biao)(biao)(biao)(biao)達(da),與腫(zhong)瘤(liu)和(he)(he)(he)KP簇共(gong)定(ding)(ding)(ding)位(wei)等(deng)。最后還檢測到多個(ge)(ge)生(sheng)發(fa)中(zhong)(zhong)心(xin)。這些生(sheng)發(fa)中(zhong)(zhong)心(xin)表(biao)(biao)(biao)(biao)現出(chu)局部(bu)表(biao)(biao)(biao)(biao)達(da)FDSCP,一種由生(sheng)發(fa)中(zhong)(zhong)心(xin)樹突(tu)細(xi)胞(bao)分(fen)(fen)泌的(de)(de)(de)蛋(dan)白(bai)質(zhi)以(yi)及IGHM。此外,根據(ju)IGHG3或IGHA1的(de)(de)(de)強(qiang)表(biao)(biao)(biao)(biao)達(da),將(jiang)兩個(ge)(ge)簇分(fen)(fen)類(lei)為免(mian)(mian)疫球蛋(dan)白(bai)IgG或 IgA漿(jiang)細(xi)胞(bao)。無偏細(xi)胞(bao)類(lei)型標(biao)記(ji)特征(zheng)鑒定(ding)(ding)(ding)了(le)免(mian)(mian)疫和(he)(he)(he)基質(zhi)細(xi)胞(bao)在(zai)(zai)脂(zhi)肪細(xi)胞(bao)群(qun)體內(nei)(nei)(FABP4、ADIPOQ、PLIN1、SORBS1、CIDEC 和(he)(he)(he) SIK2)(圖(tu)5)。 圖(tu)5 揭示原發(fa)性和轉(zhuan)移性頭頸鱗(lin)狀細胞(bao)癌中的(de)空間受限異質性 Open-ST揭(jie)示了(le)在(zai)(zai)原(yuan)發性(xing)腫(zhong)(zhong)瘤(liu)中(zhong)緊(jin)(jin)密相(xiang)(xiang)鄰(lin)的多種(zhong)腫(zhong)(zhong)瘤(liu)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai),它們的空(kong)間組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)緊(jin)(jin)密遵循(xun)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)-細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)通訊熱(re)點的分(fen)布(bu)(bu)。通過整合(he)和聚類(lei)兩個(ge)樣(yang)本(發性(xing)頭頸鱗(lin)狀(zhuang)(zhuang)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)癌和轉(zhuan)移(yi)性(xing)淋巴結(jie)中(zhong)腫(zhong)(zhong)瘤(liu))中(zhong)的42,132個(ge)腫(zhong)(zhong)瘤(liu)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao),我們鑒(jian)定(ding)(ding)出(chu)了(le)10種(zhong)不(bu)(bu)同的轉(zhuan)錄組(zu)(zu)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)(T1-T10),為它們的異質(zhi)性(xing)、空(kong)間分(fen)布(bu)(bu)和基(ji)質(zhi)相(xiang)(xiang)互作用(yong)提供了(le)詳細(xi)(xi)(xi)的圖(tu)譜。腫(zhong)(zhong)瘤(liu)轉(zhuan)錄組(zu)(zu)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)在(zai)(zai)原(yuan)發性(xing)和轉(zhuan)移(yi)性(xing)樣(yang)本中(zhong)顯(xian)示出(chu)不(bu)(bu)同的空(kong)間組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)模式。特(te)別是在(zai)(zai)原(yuan)發性(xing)腫(zhong)(zhong)瘤(liu)中(zhong),腫(zhong)(zhong)瘤(liu)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)被組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)成連(lian)續(xu)的空(kong)間域(yu),每個(ge)域(yu)普(pu)遍對(dui)應于(yu)特(te)定(ding)(ding)的狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)。相(xiang)(xiang)反,在(zai)(zai)轉(zhuan)移(yi)性(xing)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)中(zhong),腫(zhong)(zhong)瘤(liu)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)看(kan)起來(lai)更加混(hun)合(he),沒有明確(que)定(ding)(ding)義的邊界(jie)。基(ji)于(yu)它們的表達水平,通過非負(fu)矩陣分(fen)解(jie)實現,得(de)到了(le)四個(ge)非負(fu)因(yin)(yin)子(zi),跨(kua)越了(le)原(yuan)發性(xing)腫(zhong)(zhong)瘤(liu)和轉(zhuan)移(yi),每個(ge)因(yin)(yin)子(zi)具有獨(du)特(te)的相(xiang)(xiang)互作用(yong)特(te)征:炎(yan)癥(F1)、基(ji)質(zhi)硬度(du)(F2)、粘附(F3)和細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)外基(ji)質(zhi)(ECM)重塑(F4)。這些因(yin)(yin)子(zi)在(zai)(zai)原(yuan)發性(xing)腫(zhong)(zhong)瘤(liu)中(zhong)顯(xian)示出(chu)比在(zai)(zai)轉(zhuan)移(yi)性(xing)中(zhong)更高的空(kong)間組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)程度(du),遵循(xun)更加混(hun)合(he)的腫(zhong)(zhong)瘤(liu)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)。不(bu)(bu)同的腫(zhong)(zhong)瘤(liu)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)被限制在(zai)(zai)特(te)定(ding)(ding)的細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)-細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)相(xiang)(xiang)互作用(yong)熱(re)點(圖(tu)6)。 圖6 VS Xenium In Situ Open-ST產生的(de)空(kong)間基(ji)(ji)因(yin)(yin)表達(da)和轉錄(lu)組簇與Xenium結果基(ji)(ji)本(ben)(ben)一致。使用相(xiang)(xiang)同的(de)人類(lei)(lei)腫瘤樣本(ben)(ben),將(jiang)Open-ST與基(ji)(ji)于成像(xiang)的(de)ST方(fang)(fang)法(fa)(Xenium In Situ,10X Genomics)進行了(le)比較發現(xian),兩(liang)(liang)(liang)種(zhong)方(fang)(fang)法(fa)都在兩(liang)(liang)(liang)個樣本(ben)(ben)中解析出相(xiang)(xiang)似(si)(si)的(de)多樣性和空(kong)間分布(bu)的(de)細(xi)胞(bao)(bao)類(lei)(lei)型,盡管它(ta)們在切(qie)片軸上的(de)間隔(ge)超(chao)過100um。在兩(liang)(liang)(liang)種(zhong)模式下獨(du)立(li)注釋為相(xiang)(xiang)同身份的(de)簇顯示出基(ji)(ji)因(yin)(yin)表達(da)大(da)體(ti)一致。采用相(xiang)(xiang)似(si)(si)的(de)分割方(fang)(fang)法(fa),兩(liang)(liang)(liang)種(zhong)方(fang)(fang)法(fa)每平方(fang)(fang)毫(hao)米產生了(le)大(da)約5200-5500個細(xi)胞(bao)(bao)。在Open-ST中,被細(xi)胞(bao)(bao)捕獲的(de)總轉錄(lu)本(ben)(ben)比例比Xenium低約20%。盡管存在這些差異(yi),兩(liang)(liang)(liang)種(zhong)方(fang)(fang)法(fa)在整個樣本(ben)(ben)中所(suo)有基(ji)(ji)因(yin)(yin)的(de)總表達(da)上高度相(xiang)(xiang)關。此外(wai),無論是否進行子(zi)集化,Open-ST都能產生相(xiang)(xiang)似(si)(si)的(de)細(xi)胞(bao)(bao)類(lei)(lei)型的(de)分類(lei)(lei)和空(kong)間分布(bu)(圖7)。 圖(tu)7 三(san)維虛擬(ni)組織構建以及探索三(san)維其他生(sheng)物學信息 Open-ST能夠(gou)在連續切(qie)片(pian)中(zhong)(zhong)穩健地(di)捕(bu)獲(huo)轉(zhuan)錄本,非常(chang)適(shi)合高(gao)通量研(yan)究和組(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)三維轉(zhuan)錄組(zu)重(zhong)建(jian)。通過處理一個人轉(zhuan)移(yi)性淋巴結(jie),獲(huo)得(de)了跨越350 um組(zu)織(zhi)(zhi)深度的(de)(de)10 um切(qie)片(pian),其(qi)中(zhong)(zhong)19個切(qie)片(pian)用Open-ST進(jin)行分析、11個切(qie)片(pian)僅進(jin)行 H&E 染(ran)(ran)色、1個切(qie)片(pian)進(jin)行免疫(yi)熒光(guang)染(ran)(ran)色以及5個切(qie)片(pian)保留用于驗證。實(shi)驗結(jie)果(guo),共獲(huo)得(de)了超過100萬個細(xi)胞的(de)(de)基因表達譜(pu),每個分割(ge)的(de)(de)細(xi)胞中(zhong)(zhong)基因(313-624)和UMIs(438-1008)的(de)(de)捕(bu)獲(huo)中(zhong)(zhong)位數(shu)都很高(gao),利用STIM和 Visualization Toolkit,將連續切(qie)片(pian)對齊,重(zhong)建(jian)并可視化三維虛擬組(zu)織(zhi)(zhi)塊并通過平滑等值(zhi)面(mian)渲(xuan)染(ran)(ran)空間映射的(de)(de)UMI計數(shu)表明了在腫(zhong)瘤區域的(de)(de)可重(zhong)復(fu)捕(bu)獲(huo)效(xiao)率(圖8)。 圖8 Open-ST能夠通過(guo)體積渲染(ran)和(he)平(ping)滑表(biao)(biao)示來增(zeng)強清晰度,進(jin)而(er)在三維(wei)(wei)中(zhong)探(tan)索基(ji)(ji)因(yin)(yin)表(biao)(biao)達(da)(da)(da)。例如(ru),我(wo)們(men)通過(guo)特定標記基(ji)(ji)因(yin)(yin)的表(biao)(biao)達(da)(da)(da)在三維(wei)(wei)中(zhong)可(ke)(ke)視(shi)(shi)化了(le)淋巴結(jie)的淋巴樣、轉移(yi)性(xing)(xing)腫瘤和(he)基(ji)(ji)質組(zu)織(zhi)區域(yu)(yu)的劃分。重建的組(zu)織(zhi)可(ke)(ke)以用(yong)于全(quan)面(mian)的探(tan)索性(xing)(xing)三維(wei)(wei)分析,同時查詢轉錄(lu)組(zu)和(he)成像模(mo)態(tai)。像體積裁(cai)剪(jian)和(he)平(ping)面(mian)裁(cai)剪(jian)這樣的渲染(ran)技術可(ke)(ke)以用(yong)來探(tan)索任何(he)方向上的基(ji)(ji)因(yin)(yin)表(biao)(biao)達(da)(da)(da),而(er)不受切片(pian)平(ping)面(mian)的限制(zhi)。例如(ru),我(wo)們(men)可(ke)(ke)視(shi)(shi)化了(le)ACKR1(一(yi)種局限于后毛細血管(guan)靜(jing)脈的內(nei)皮標記)的基(ji)(ji)因(yin)(yin)表(biao)(biao)達(da)(da)(da)連續性(xing)(xing),通過(guo)在三維(wei)(wei)虛擬組(zu)織(zhi)塊(kuai)中(zhong)使用(yong)平(ping)面(mian)裁(cai)剪(jian),可(ke)(ke)以跨 z 軸跟蹤后毛細血管(guan)靜(jing)脈,并(bing)揭示其表(biao)(biao)達(da)(da)(da)是如(ru)何(he)局限于轉移(yi)性(xing)(xing)淋巴結(jie)的免疫區域(yu)(yu),形成網絡狀結(jie)構。此外,我(wo)們(men)檢查了(le)在初(chu)始(shi)切片(pian)中(zhong)看似(si)與(yu)主要腫瘤塊(kuai)斷開的角化珠(zhu)(KP),我(wo)們(men)的三維(wei)(wei)重建揭示了(le)它在后續切片(pian)中(zhong)與(yu)腫瘤塊(kuai)的連續性(xing)(xing),證(zheng)明了(le)在成像和(he)轉錄(lu)組(zu)模(mo)態(tai)中(zhong)的連續性(xing)(xing)。此外,三維(wei)(wei)重建的力量遠遠超出了(le)對細胞(bao)類(lei)型和(he)組(zu)織(zhi)結(jie)構的研(yan)究;例如(ru),檢查三維(wei)(wei)中(zhong)細胞(bao)具有高膽固(gu)醇生物合成基(ji)(ji)因(yin)(yin)集活性(xing)(xing)的空間組(zu)織(zhi)(圖(tu)9)。
結(jie) 論 Open-ST,是一套實(shi)驗(yan)(yan)和(he)計(ji)算(suan)工具的框(kuang)架,用(yong)(yong)于(yu)在(zai)亞細胞分辨率下高效(xiao)捕獲和(he)分析組(zu)織空間中的轉錄(lu)本, 在(zai)空間測序(xu)結構復雜的臨床相關人(ren)類原(yuan)發組(zu)織方面的具有(you)廣泛(fan)適(shi)用(yong)(yong)性。在(zai)數據(ju)處(chu)理方面,使用(yong)(yong)Open-ST計(ji)算(suan)工具包(bao)可以應(ying)用(yong)(yong)于(yu)其他(ta)實(shi)驗(yan)(yan)設(she)置和(he)處(chu)理過(guo)的樣本。此外,模塊化方法允許(xu)在(zai)必要時使用(yong)(yong)替代(dai)工具和(he)算(suan)法進行任何(預)處(chu)理步驟。總(zong)的來說,在(zai)提供了詳細的實(shi)驗(yan)(yan)資源(yuan)和(he)開源(yuan)計(ji)算(suan)工具情況(kuang)下,Open-ST有(you)望成為后(hou)期科研用(yong)(yong)戶的強有(you)力(li)的工具以及ST分析的標桿。