空間分辨轉(zhuǎn)錄組學(xué)（spatially resolved transcriptomics）于2020年被《Nature》雜志評為年度方法。自此之后，這種技術(shù)的熱度持續(xù)上升，應(yīng)用于多個(gè)研究領(lǐng)域，特別是癌癥研究。截至2022年9月底，2836篇與空間轉(zhuǎn)錄組有關(guān)的論文被PubMed收錄，其中23%與癌癥研究有關(guān)。這些數(shù)據(jù)顯示，空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)正在影響癌癥研究和診斷。

《BioTechniques》雜志近日發(fā)表了一篇題為“How is spatial transcriptomics influencing cancer research and diagnostics?”的文章，介紹了空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及它在癌癥研究和診斷中的應(yīng)用。

轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究開始于20世紀(jì)90年代。多年來，批量細(xì)胞RNA測序（RNA-seq）是人們首選的轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法，但它體現(xiàn)了不同基因表達(dá)譜的混合結(jié)果，會掩蓋單個(gè)細(xì)胞之間的關(guān)鍵差異。對單細(xì)胞信息的需求催生了單細(xì)胞RNA測序（scRNA-seq）的出現(xiàn)。這種新技術(shù)讓研究人員能夠確定組織中的單細(xì)胞組成以及這些細(xì)胞表達(dá)的基因。不過，單細(xì)胞的分離也意味著細(xì)胞失去了重要的空間背景。

2016年，空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。它基于原位雜交、原位捕獲和原位測序等技術(shù)，確定了RNA在組織內(nèi)的空間分布。空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)表征了組織內(nèi)的轉(zhuǎn)錄模式和調(diào)控，為各種組織和細(xì)胞群的結(jié)構(gòu)和功能提供了寶貴的見解。

考慮到空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)可以提供深度的背景信息，這種技術(shù)在癌癥研究領(lǐng)域越來越受歡迎。腫瘤有著復(fù)雜的微環(huán)境，而且腫瘤是高度異質(zhì)性的，這兩個(gè)特點(diǎn)使得背景信息格外重要。不同腫瘤之間和同一腫瘤內(nèi)，細(xì)胞都顯示出不同的形態(tài)和表型。這種異質(zhì)性為療法開發(fā)帶來挑戰(zhàn)，也是造成耐藥性的主要原因之一。

加深對腫瘤的了解

美國國家癌癥研究所于2018年9月啟動了“人類腫瘤圖譜網(wǎng)絡(luò)（HTAN）”計(jì)劃。它計(jì)劃在癌癥從癌前病變到晚期疾病的發(fā)展過程中，繪制癌癥的細(xì)胞、形態(tài)和分子特征的三維圖譜。目前有11張圖譜正在開發(fā)中，包含了來源于17個(gè)原發(fā)部位的腫瘤。

華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)正在繪制胰腺癌的圖譜，以了解正常細(xì)胞向癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)變。他們采用了多組學(xué)技術(shù)，包括批量細(xì)胞DNA和RNA測序、單細(xì)胞RNA測序、細(xì)胞成像，以及基于10x Genomics Visium平臺的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析。空間圖譜顯示，在耐受化療的腫瘤中，腫瘤周圍的炎性細(xì)胞多了三倍，這表明靶向腫瘤微環(huán)境中的炎性成纖維細(xì)胞也許是克服化療耐藥的關(guān)鍵。

哈佛醫(yī)學(xué)院的研究人員則在繪制黑色素瘤的進(jìn)展圖譜。Peter Sorger及其同事采用循環(huán)免疫熒光（CyCIF）和3D高分辨率顯微鏡來分析腫瘤微環(huán)境的空間結(jié)構(gòu)，并將其與GeoMx和PickSeq兩種方法產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄圖譜相結(jié)合。他們在分析圖譜后發(fā)現(xiàn)，在早期黑色素瘤中，PD-L1并不由腫瘤細(xì)胞本身表達(dá)，而是由腫瘤微環(huán)境中的髓系細(xì)胞表達(dá)。隨著疾病進(jìn)展，髓系細(xì)胞與T細(xì)胞相互作用，殺死腫瘤細(xì)胞。這表明，免疫細(xì)胞之間的通訊可能被癌癥利用，以逃避免疫系統(tǒng)。

改善癌癥的診斷

目前，絕大部分癌癥是根據(jù)組織活檢樣本來診斷的。Sorger認(rèn)為，將空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)和多重成像技術(shù)（如CyCIF）納入診斷過程將有助于更好地了解個(gè)體的腫瘤生態(tài)系統(tǒng)，并為患者量身定制治療方案。

空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)也有望實(shí)現(xiàn)癌癥的早期診斷。最近，瑞典皇家理工學(xué)院和牛津大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員利用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)建立了整個(gè)前列腺的橫斷面圖譜，并據(jù)此推斷出全基因組范圍的拷貝數(shù)變化。他們采用10x Genomics的Visium平臺開展分析，發(fā)現(xiàn)良性組織和癌變組織都存在致癌基因的拷貝數(shù)變化。這些發(fā)現(xiàn)有望對疾病的早期診斷產(chǎn)生重大影響。

牛津大學(xué)的Alistair Lamb表示：“對于前列腺癌，Gleason分級系統(tǒng)發(fā)揮了很大的作用。我們的目標(biāo)是增加一層重要的空間分子細(xì)節(jié)，以填補(bǔ)組織病理學(xué)留下的巨大空白。通過這種方式，我們希望患者在正確的時(shí)間接受正確的治療。”

文章作者認(rèn)為，未來是空間的。她希望在未來幾年看到更多的癌癥研究采用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)，并期待這些研究對患者產(chǎn)生積極影響。

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How is spatial transcriptomics influencing cancer research and diagnostics?