空間轉錄組學技術自斬獲了 Nature Methods 2020 年 “年度技術” 以來,引起更加廣泛的關注。這種技術結合了成像和測序技術,能夠繪製組織上特定轉錄物存在的位置,從而指示特定基因的特定位點表達。自 2016 年,空間轉錄組學的概念首次提出以來,這項技術在學術界和產業界蓬勃發展,開啟了生命科學基因研究的 “3D 模式”。
2018 年,10X Genomics 出手收購了空間轉錄組學公司 Spatial Transcriptomics(以下簡稱 “Spatial”),2020 年,10X Genomics 繼續出手收購了空間轉錄組學公司 Cartana 以及 ReadCoor。
就在 COVID-19 大流行期間,來自馬薩諸塞州總醫院的多位科學家利用空間轉錄組學技術揭示了 SARS-CoV-2 病毒對宿主的影響,他們證實了 SARS-CoV-2 病毒感染肺部組織的異質性,並且分析了感染細胞和鄰近細胞相關 RNA 的表達。
那麼,對於這項僅發展了 4 年的技術,如何接連受到學術界和產業界青睞?
“這可能會引領一個新的時代”哈佛醫學院遺傳學教授、基因組學大牛 George Church 曾分享,醫學正在從非常鈍的器械轉變為 “最精細的手術刀”,這種演變引發了對觀察工具的需求,以允許研究人員能夠 “以高水平的解析度和全面性來進行觀察”。他所說的觀察工具指的就是最近發展起來的空間轉錄組技術。
目前的單細胞測序技術,比如 RNA 測序,在從組織中提取細胞的過程中會失去所有空間資訊。而空間轉錄組學可以為基因表達提供豐富的空間背景。
“這可能會引領一個新的時代”,George Church 評價道。
利用組織切片進行測序的技術淵源已久,這種方式不僅能夠進行大病回溯,還節省了新鮮和速凍樣品的收集時間和維護成本。
早在 2009 年,瑞典卡羅林斯卡學院的研究員 JonasFrisén 就在著手研究從組織切片上尋找更多的資訊,之後,他和瑞典皇家學院的 Lundeberg 教授合作,兩位導師的博士後研究員 Ståhl 和博士研究生 FredrikSalmén 合作的一個專案最終發現了空間轉錄組學。
這種方式能夠在組織切片上顯示基因在空間上的表達情況,揭示細胞間的相互作用。
該方法首先將固定的、染色的組織成像,然後進行透化,透化是為了讓組織變透明,以得到更高的解析度。在透化的時候,將組織切片放置在含有探針的載玻片上,透過透化酶處理,細胞中的 mRNA 會釋放並結合到相應的捕獲探針上,逆轉錄後進行測序,從而可以獲取轉錄組資訊。
最終所有資料處理完後會視覺化,這意味著,檢視組織切片的影象並選擇組織中的不同區域,就可以確定哪些基因在這些區域中表達以及表達多少,即在組織切片上就可以生成完整的基因表達影象。
2016 年,研究人員將研究成果發表在 Science 上,同年,他們成立了 Spatial 公司。
公司佈局熱潮空間轉錄組學的出現為學術界帶來了一股應用熱潮,科學家將這一方法應用到了 神經科學、癌症研究、發育生物學、病理學、免疫學等領域,它能夠幫助研究人員建立人類和模型生物參考組織圖,也能夠用於評估遺傳變異如何影響組織功能等。
除了上述方式之外,學術界相繼開發了多種方式以表徵基因表達的空間特異性。
加州理工學院生物工程系 Cai Long 教授發明了 seqFISH 技術,該技術能夠在保留其空間背景的情況下直接在單個細胞中鑑定數千種分子,包括 DNA、mRNA 和蛋白質。現在,Cai 也成立了 Spatial Genomics 公司,以商業化 seqFISH。
布羅德研究所的醫學博士 Evan Macosko 開發了 Slide-seq 技術,Slide-seq 接近單細胞分析的結果,據 Evan 介紹,Slide-seq 的 mRNA 捕獲效率接近 scRNA-seq 技術,但關於 Slide-seq 的商業化還處於早期階段。
2018 年,10X Genomics 在與客戶的交談中意識到了空間轉錄組學的潛力,它迅速收購了 Spatial,並在 2019 年 11 月正式推出空間轉錄組學產品 Visium。Visium 能夠達到的解析度是 1-10 個細胞,能夠做到測量上百種基因。
2020 年,10X Genomics 繼續出手收購了兩家空間轉錄組學公司 Cartana 和 ReadCoor,對 Visium 進行了補充。
值得注意的是,ReadCoor 的技術源於 George Church 團隊發明的原位測序方法,該公司在 A 輪融資的時候就就獲得了禮來亞洲、維梧資本、德誠資本的投資,B 輪融資時,獲蘭亭投資領投。
這兩項收購為 10X Genomics 帶來了優秀的科學家、技術以及高達 110 項的智慧財產權,進一步堅定了在空間轉錄組學方向上的發展。為了能夠得到專業的指導,收購後,10X Genomics 依舊與實驗室保持聯絡。
同樣在 2019 年,專注於診斷工具開發的公司 nanoString(納斯達克:NSTG)也推出了空間分辨組織分析的儀器 GeoMx DPS,該裝置已在早期試用者中進行了測試,目前,該裝置能夠捕獲超過 22,000 種靶標分子,包括 mRNA 和蛋白質。GeoMx DPS 主要應用於腫瘤學、免疫學、神經科學和發育生物學。
下一步:達到單個細胞的解析度在 2020 年,空間基因組學和轉錄組學市場規模達到了 1.638 億美元 ,空間轉錄組學的市場佔有率達到了 82.2%。根據 Grand View Research,Inc. 最新報告,預計從 2021 年到 2028 年,複合年增長率將達到 11.1%。根據 CB Insights 的資料,在過去 4 年,空間轉錄組學領域的融資、收購等交易也累計超過了 1 億美元。
在中國,華大生命科學研究院(BGI Research)也正在開發用於空間位置基因表達分析的方法。
這種方式每個單元能夠捕獲數百個資料點,藉助半導體工業的光刻技術以奈米陣列的形式封裝在矽片上,透過晶片和由轉錄本製成的 DNA 奈米球來進行空間位置的基因表達分析。華大集團執行長、華大生命科學研究院院長徐訊透露,該技術預計將於 2021 年釋出。
現在,華大已經制造出了用於小鼠大腦空間分析的晶片,該晶片具有 2000 個基因,每個奈米球上可以容納 4000 個基因轉錄本。徐訊透露,正在考慮將這一技術用於 mRNA 以外的多組學分析 。
“空間轉錄組學將是單細胞分析之後的下一波熱潮,它對於研究人類疾病非常有用,因為人類疾病通常始於單細胞並在空間上擴散”,卡羅琳學院的生物學家 Sten Linnarsson 教授表示。
因此,達到單個細胞的解析度將推動空間轉錄組學進一步發展,“但這還需要很長的路要走”,10X Genomics 的研究與開發高階副總裁 Michael Schnall-Levin 曾表示。
10X Genomics 正在努力實現這一目標,BGI 也正在解決解析度的問題。根據空間轉錄組學發明人 Ståhl 的說法:“10μm 應該是最佳選擇”。
對於空間轉錄組學產品的發展,nanoString 的總裁兼執行長 Brad Gray 曾在接受媒體採訪時表示,市場上將會分為兩個工具類別,以高通量觀察多細胞區域的諸如 GeoMx 和 Visium 之類的儀器,以及觀察細胞和亞細胞解析度的儀器,這些儀器可能會或可能不會覆蓋整個轉錄組,但一次會覆蓋數千個基因。