空間組學技術在醫學研究中的應用進展*

劉四民，王 晶△，王振娟，劉 琳 綜述，韓 樂 審校

1.甘肅中醫藥大學公共衛生學院，甘肅蘭州 730000；2.蘭州大學第一醫院生殖中心，甘肅蘭州 730000

空間組學技術是繼單細胞測序技術之后的另一個熱點生物技術，它能夠彌補單細胞測序技術無法獲取細胞空間分布信息的缺陷，主要包括空間代謝組、空間蛋白質組、空間轉錄組三個部分[1]。其中空間代謝組學技術通過質譜成像的高分辨技術進行有效空間上的分析；空間蛋白質組學可以檢測并定位細胞中復雜蛋白質以及分析它的復雜結構；空間轉錄組學技術對細胞的基因表達進行定量測量，同時提供細胞在組織空間的具體位置信息；空間組學技術能夠分析組織中的時空分布，藥物、生物組織在空間中的分布以及有效分析一些特點相同的生物體或組織，也為探測細胞異質性和細胞外基質生物學提供了新的方法[2]。近年來空間組學技術發展迅速，在國內外的影響也越來越大，且在國內外學術論壇中也占據了一定的地位，目前該技術也被廣泛應用在現代醫學科技領域中。本文主要通過概述空間組學技術在代謝性疾病、腫瘤以及某些傳染疾病中的應用來闡明空間組學技術在醫學方向的研究進展。

1 空間組學技術

1.1空間代謝組學技術 空間代謝組學技術是一種新型的主要分析生物代謝物的質譜成像技術，它專注于在細胞、組織、器官和生物體的空間環境中檢測和解釋代謝物、脂質、藥物和其他小分子[3]，且已經提供了在組織空間環境中如何調節新陳代謝的發現[4]，空間代謝組學技術能直接從生物組織中獲得大量已知或未知的內源性代謝物和外源性藥物等分子的結構、含量和空間分布信息。主要包括需要在真空條件下進行離子化的二次離子質譜(SIMS)、基質輔助激光解吸電離技術(MALDI)、解吸電噴霧電離技術(DESI)以及敞開式空氣動力輔助離子化質譜成像技術(AFAI)等技術。中國藥科大學李彬應用MALDI對甘草中黃酮類成分、芍藥中單萜苷和沒食子酰單寧類成分以及銀杏葉中黃酮類和內酯類成分進行空間分析，成功揭示了組織特異性分布和累積規律，對藥物的空間分析具有重大意義[5]。此外還有研究團隊提出了一種基于虛擬校準定量質譜成像(VC-QMSI)方法，準確量化紫杉醇(PTX)及其前藥(PTX-R)在全身動物切片中的分布，定量繪制藥物在全身和組織微區的吸收、分布、代謝和排泄(ADME)[6]，從而可以評價抗癌藥物的腫瘤靶向效率，以預測藥物療效和安全性，并為藥物處置和作用和耐藥機制提供新的見解。隨著現代科技的進步，傳統的分析方法已無法滿足學者們的追求，而空間代謝組學技術的免標記、時間短、耗費低；對靶標(已知)和非靶標(未知)分子同時分析；能提供組織切片中多種分子結構信息和空間分布信息等特點，使其有望成為人工智能時代下分析生物體組織代謝、藥物作用靶點、植物細胞等組織的空間分布的主要技術，在揭示的代謝在健康和疾病中的作用方面意義重大[7-8]。

1.2空間蛋白質組學技術 空間蛋白質組學技術是一種可以在不丟失空間位置的情況下檢測數十種蛋白質的組學技術，用于監測細胞和組織中的蛋白質定位的方法中最突出的是成像方法。基于成像的空間蛋白質組學技術可以在亞細胞分辨率下為單個細胞提供富有成效的新表型狀態讀數，這可能有助于揭示非遺傳細胞異質性在腫瘤發生和耐藥性中的作用[9]。目前大約50%的人類蛋白質組的功能和定位尚未得到詳細表征，僅根據蛋白質的結構或序列特征或通過其他物種的推斷進行注釋。因此，捕捉空間蛋白質組——即蛋白質的定位及其在亞細胞水平上的動態——對于全面了解細胞生物學至關重要[10]。此外，LUNDBERG等[11]提出的貝葉斯混合建模方法使蛋白質在亞細胞位置上具有概率分布，貝葉斯計算使用期望最大化算法執行。該方法允許蛋白質組范圍內的不確定性量化，且計算框架很靈活，可以分析許多不同的系統，因此也揭示了空間蛋白質組學新的建模機會。哺乳動物細胞被組織成不同的隔室，這些隔室不僅提供了專門的局部環境還允許同時進行不同的、不相容的生物過程。而空間蛋白質組學技術則以這些亞細胞位置為目標，以空間定位的方式揭示了生物體蛋白質的復雜結構。人類蛋白質圖譜(HPA)提供的大規模空間蛋白質組學數據集有望與使用轉錄組學和定量蛋白質組學方法的其他正在進行的和未來的工作相結合，對研究人類疾病有著重要作用[12-13]。

1.3空間轉錄組學技術 空間轉錄組學技術是一種捕獲組織轉錄物空間結構的轉錄組學技術，目前已經成為直接在組織中捕獲和定位條形碼RNA的關鍵技術[14]。以單細胞為基礎，以RNA測序方式進行定位研究其生物學功能的一種基于圖像的技術。危瑩和上官鈺等[15-16]在匯總了國內外學者發現的測序方法后，將空間轉錄組學技術分成了基于原位雜交，基于高通量測序，基于原位測序，基于活細胞標記這四類，并發現其在腫瘤組織空間異質性的探究有著重要作用，對人類對腫瘤的治療以及防治有著極大的指導意義。此外利用空間轉錄組測序(GaST-seq)，一種易于采用的微尺度空間轉錄組學工作流程，來研究植物組織小區域的表達圖譜。大量空間實驗也證實了GaST-seq方法在識別植物器官的表達差異方面的高靈敏[17]。而傳統動物轉錄組的研究主要是在器官或者組織水平上進行轉錄組測序，忽略了單個細胞在遺傳方面的特殊性，單細胞RNA測序(scRNA-seq)也能夠在單個細胞水平上揭示細胞內整體水平的基因表達狀態和基因結構信息，幫助理解其基因型和表型之間的相互關系[18-19]，因此對疾病的研究及治療意義重大。

2 空間組學技術在醫學研究中的應用

2.1代謝性疾病的應用 糖尿病腎病是糖尿病最重要的并發癥之一，在我國其發病率目前也處于一個上升趨勢，為了有效控制糖尿病腎病的發展，找尋新的研究技術尤為重要。基于氣流輔助解吸電噴霧電離(AFADESI)和基質輔助激光解吸電離(MALDI)是一種集成質譜成像(MSI)的空間分辨代謝組學方法，可以用來研究組織特異性代謝改變來揭示糖尿病患者空間組織位置代謝物的變化[20]，通過高化學特異性和高空間分辨率可對代謝物空間位置獨特分布模式進行可視化，突出了AFADESI和MALD整合基于MSI的代謝組學方法在代謝性腎臟疾病中的應用潛力[21]，為防治糖尿病腎病提供了重要的條件。

生物鐘，即晝夜節律，其在一定程度上控制著健康和疾病，不規律的晝夜節律是引發一些代謝性疾病的罪魁禍首，時空晝夜代謝組學闡明了人們晝夜行為和生理學背后的一些機制，利用其發現新的生物標志物、更好地預測生理時間以及為個性化醫療開發新見解[22]。

2.2腫瘤方面的應用 惡性腫瘤目前已成為一個世界性公共衛生問題威脅著人們的生命和健康。世界衛生組織國際癌癥研究機構發布了最新癌癥數據，2020年全球新增癌癥病例1 930萬例，因腫瘤死亡病例為996萬例，其中中國300萬例，占總人數的30%，位居全球第一[23]，因此發現新的腫瘤研究及防治技術極為重要。空間組學技術提出了將空間生態學原理轉移到癌癥生物學中的空間數據解釋，到目前為止，空間組學也進入了空間癌癥研究的黃金時代[24]。有學者提出了一種空間分辨代謝組學方法，用于使用環境質譜成像高通量發現腫瘤相關代謝物和酶改變，在異質食管癌組織中有效地發現和可視化了與腫瘤代謝相關的代謝途徑相關代謝物和代謝酶[25]，而空間分辨酶和相應代謝物信息的整合也提高了臨床工作者對腫瘤代謝的理解。

結直腸癌(CRC)等實體瘤的發展和進展會受到免疫系統的影響，有研究提出了一種多模式方法來解決骨髓和T細胞在CRC腫瘤時間中的分布，將基于數字圖像的分析(包括細胞密度、細胞間距離和空間重疊)與基因表達譜相結合，將腫瘤空間特征與腫瘤浸潤免疫細胞的生物學功能聯系起來進行研究的方法[26]。通過GeoMX數字空間分析器對35例三期結腸癌患者進行分析，發現了混合效應機器學習(MEML)方法在結腸轉移預測方面有優于固定效應和廣義線性方法的批次內性能，當MEML方法與廣義線性建模相結合時，可能會通過提取關鍵的復雜相互作用來更清晰地傳達臨床研究中重要的空間疾病關聯[27]。骨髓生態位是由調節成人造血的多個基質成分網絡組成的空間環境，利用代謝組學技術使用全基因RNA測序來了解骨髓的細胞成分，并通過實驗，確定了八個不同的功能簇，使用成熟的急性髓性白血病患者來源的異種移植物(AML-PDX)模型檢查了在急性髓系白血病(AML)發生過程中影響這些成分的變化，并且通過使用基于鄰近的分子方法，確定了間充質區室中早期疾病發作失調的基因[28]。

2.3傳染性疾病方向 傳染病是困惑人類的一類疾病，其廣泛，通常發生在一個或者多個的局部炎癥特征，新陳代謝反映了多個分子和細胞網絡之間本質上復雜的相互作用。這些動態網絡是炎癥反應、組織退化和再生等基本生物學功能的基礎。可通過質譜成像(MSI)等多模態無標記分子成像技術與空間分辨的高度多路復用蛋白質和轉錄組圖譜相結合共同用于了解傳染病的進展和描繪炎癥微環境；以肉芽腫性炎癥為例并展開了研究。空間分辨的免疫代謝提高了檢驗人員對微生物感染核心的不同免疫譜系和不同群體的認識，它可以幫助描述重要感染的發病機制[29]。

2019年，由新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)感染引起的呼吸系統疾病新型冠狀病毒感染(COVID-19)被報道，隨后疫情在世界上各個國家和地區暴發且迅速流行。COVID-19的傳染性強、病死率高，為有效控制疫情的發展，新冠病毒的檢測至關重要，國內外各研究團隊及機構已研發出各種檢測新冠病毒的有效手段和儀器設備[30-31]。人們開發了一種大規模宿主和病毒分析的鳥槍元轉錄組學平臺(total-RNA-seq)[32]，將特定宿主反應和基因表達擾動與SARS-CoV-2感染聯系起來，以及患者的血管緊張素轉化酶(ACE)途徑相關的臨床數據的發現聯系起來，使用空間轉錄組學來繪制來自COVID-19患者尸檢的SARS-CoV-2感染肺部的血管緊張素轉換酶(ACE)活性表達圖。此外還通過比較COVID-19急性腎損傷(AKI)與敗血癥-AKI(S-AKI)，分析了尸檢腎臟的形態和轉錄組學和蛋白質組學特征。在空間結構分析中指出的與抗原呈遞細胞非常接近的小管間質中的巨噬細胞顯性細胞表型和顯著的T細胞反應，從而描述了腎小管上皮細胞的代謝重編程[33]，對此類呼吸傳染性疾病的研究具有重要作用。

3 總結及展望

從二維到三維，人類在醫學發展方面日益強大，走在世界最前沿的空間組學技術，在防治人類疾病，以及藥物高水平分析方面具有重要作用，讓人們從傳統二維結構跳躍到三維空間去研究分析藥物異質性分布、亞細胞定位、以及復雜蛋白質的結構。細胞是生命最基本的單位，以細胞為基礎，利用空間組學技術從不同層次去研究，可以更加輕便的解決二維結構上無法突破的層次。

在現代化人工智能時代，人工智能與空間組學相依相符，可以更好地去剖析生物體組織和探究藥物，幫助人類擺脫癌癥、新冠肺炎等疑難雜癥，有望為人類預防疾病起到空前重要的作用。