一篇搞懂空间组学：怎么测、怎么选、怎么用？

普通转录组、蛋白组和代谢组可以发现哪些分子发生了变化，却无法回答这些变化发生在哪里。组织并不是均匀的细胞混合物。肿瘤核心、浸润边缘、血管周围和坏死区域，可能具有完全不同的细胞组成和分子状态。将组织研磨后检测，这些空间信息就会丢失。

因此空间组学是在保留组织结构的同时回答：哪些分子发生了变化？变化发生在哪里？主要来自哪类细胞？与哪些细胞或病理结构相邻？

目前应用较多的空间组学技术主要包括空间转录组、空间蛋白组和空间代谢组。

图 1：https：//blog.csdn.net/wen05054105/article/details/125274348

空间组学在疾病研究中的作用

空间组学最适合研究具有明显组织异质性的疾病，例如肿瘤、神经系统疾病、炎症性疾病、纤维化和代谢性疾病。

空间转录组：观察基因表达发生在哪里

1、检测原理

空间转录组是在保留组织位置的基础上检测 RNA 表达。主要有两类方法：

捕获型空间转录组将组织图像、基因表达和空间条形码结合，从而重建不同区域的转录特征。

图 2：https：//zhuanlan.zhihu.com/p/101370236

2、样本取样与质量要求

空间转录组常使用新鲜冰冻组织或福尔马林固定石蜡包埋组织。

对于部分基于 poly（A）捕获的平台，新鲜冰冻组织通常希望 RIN 较高，RIN≥7 常被作为参考，但具体标准应以组织类型和平台要求为准。

样本是否合格不能只看 RNA 质量，还要组织结构完整性；肿瘤、间质和正常组织能否区分；是否存在大面积坏死、出血或折叠；目标区域是否位于芯片有效范围；组织是否牢固贴附于载玻片；病理形态是否能与空间表达结果配准。

3、在疾病研究中的应用方案

以肿瘤治疗应答研究为例，可以按照以下思路开展：

治疗应答者与不应答者分组：识别肿瘤、免疫和间质区域→ 鉴定特殊肿瘤细胞或免疫细胞状态→ 分析细胞空间邻近及配体—受体关系→ 筛选可能导致低应答的关键分子→ 通过组织和功能实验验证。

4、如何应用在课题中？

空间转录组适合作为课题的「发现工具」。

例如：空间转录组发现肿瘤边缘富集 SPP1⁺髓系细胞→ 该区域同时富集 FAP⁺成纤维细胞和细胞外基质基因→CD8⁺T 细胞主要停留在屏障外侧→ 筛选可能介导髓系细胞—成纤维细胞通讯的分子→ 通过多重免疫荧光和共培养实验验证。

空间蛋白组：观察细胞表型和功能状态

1、检测原理

空间蛋白组是在保留组织位置的基础上，同时检测多个蛋白。

图 3：https：//blog.csdn.net/leianuo123/article/details/128449920

2、样本取样与质量要求

空间蛋白组常使用 FFPE 组织、新鲜冰冻组织和组织芯片。

空间蛋白组的关键不是抗体越多越好，而是面板能否回答科学问题。

一个肿瘤免疫面板通常包括：

3、在疾病研究中的应用方案

空间蛋白组主要用于回答：

1）哪些细胞群在疾病组织中增加？

2）免疫细胞位于肿瘤核心还是边缘？

3）巨噬细胞与成纤维细胞是否形成空间生态位？

4）PD-L1 主要表达在肿瘤细胞还是免疫细胞？

5）细胞毒性 T 细胞是否真正处于活化状态？

6）哪种空间细胞组合与疗效或预后相关？

研究治疗方案时，可以比较治疗前与治疗后：应答者与不应答者；肿瘤核心与浸润边缘；免疫热区与免疫冷区。

4、如何应用在课题中？

空间蛋白组特别适合验证空间转录组提出的假说。

例如：空间转录组提示 SPP1⁺ 髓系细胞与 FAP⁺ 成纤维细胞共现。空间蛋白组确认 SPP1、CD68、FAP 和α-SMA 的细胞定位→ 计算该生态位与 CD8⁺T 细胞之间的距离→ 分析空间结构与治疗效果及预后的关系→ 通过共培养和动物实验验证其功能。

空间代谢组：观察代谢物分布在哪里

1、检测原理

空间代谢组主要利用质谱成像技术检测代谢物、脂质和部分药物分子的组织分布。

MALDI-MSI 可以将代谢物质谱信号重新定位到组织区域，并可与组织染色、免疫荧光或原位杂交联合。

图 4：https：//zhuanlan.zhihu.com/p/544309681

2、样本取样与质量要求

空间代谢物容易受到缺血时间、温度和酶活性的影响，因此样本处理必须迅速、统一。

新鲜冰冻组织通常更适合小分子和脂质研究。FFPE 组织也可以进行部分空间代谢检测，但固定、脱水、包埋和脱蜡可能造成代谢物丢失或改变，因此应先完成方法验证。

3、在疾病研究中的应用方案

空间代谢组可以比较：肿瘤核心与浸润边缘；肿瘤区与癌旁区；缺氧区与血管丰富区；免疫热区与免疫冷区；治疗敏感区与残存耐药区。

常见研究对象包括：脂肪酸和磷脂；胆碱代谢物；氨基酸及其衍生物；核苷酸代谢物；氧化还原相关代谢物；微生物相关代谢物；药物原型及其代谢产物。

需要注意，质谱图中的一个 m/z 峰不一定等于一个已经确认的代谢物。核心候选物应结合二级质谱、标准品和靶向 LC–MS 验证。

4、如何应用在课题中？

空间代谢组适合回答：

1）某种代谢物主要富集于肿瘤区还是间质区？

2）特定脂质是否集中在缺氧或坏死区域？

3）药物能否真正到达目标组织区域？

4）耐药细胞是否受到特殊代谢环境保护？

5）某类免疫细胞是否与特定代谢物空间共现？

例如：

空间代谢组发现肿瘤边缘某类脂质富集→ 空间转录组发现该区域的脂质代谢酶和转运体升高→ 空间蛋白组定位相关细胞→ 靶向质谱确认候选代谢物→ 通过代谢物补充、酶抑制和救援实验验证功能。

三类空间组学如何联合？

三类技术应围绕同一个科学问题分工，而不是简单地全部检测一遍。

完整的研究逻辑可以是：空间转录组发现特殊细胞状态→ 空间蛋白组验证细胞身份和空间关系→ 空间代谢组寻找生态位中的关键代谢物→ 联合分析锁定代谢酶、转运体和受体→ 通过细胞、类器官和动物实验验证机制。

图 5：空间三大组学联合分析（codex）

总结

空间组学将基因、蛋白和代谢物重新放回组织环境中：空间转录组负责发现细胞状态，空间蛋白组验证细胞表型和邻近关系，空间代谢组揭示代谢物及药物的组织分布。

真正有价值的空间组学研究，不是生成更多彩色组织图，而是建立「空间发现—靶向验证—功能干预—因果回复」的完整证据链。

编辑：小 z

题图：自制