空间转录组学（ST）在人类疾病中的潜在应用是临床和转化医学的重要问题之一，包括神经学、胚胎发育、肿瘤学和炎症学。因此，明确的临床目标、设计、采样程序和方案的优化、ST的可重复性以及分析和解释的简化是将ST转换到临床的关键。
上期为大家带来了2篇空间转录组学在神经学中的应用案例，本期推送继续为大家带来空间转录组学在病胚胎发育中的应用案例及空间转录组学应用的研究思路总结。
胚胎和干细胞谱系是探索组织模式和相应分子调控回路的范例。带有scRNA-seq的ST为剖析胚胎发育过程中细胞组织的分子动力学、形态学和分子特性的差异以及谱系分配开辟了新的途径。
案例一
人类胚胎心脏细胞类型、细胞类型分布和空间组织的综合转录图谱揭示了4.5-5周、6.5周和9周后的三个发育阶段。使用Seurat进行数据处理，三个人类胚胎心脏样本的ST曲线显示了人类胚胎心脏发育过程中约3115个spot和10个心肌亚群。从约69个选定的靶基因中获得了104个细胞类型、转录组和人类心脏发育时空图谱。心脏胚胎组织的scRNA-seq分析产生了三种类型的心肌细胞、两种类型的内皮细胞和四种类型的成纤维细胞样细胞。通过结合ST、scRNA-seq和GO富集分析，它能够更好地识别组织中每种细胞类型、心脏细胞类型特异性基因和相互作用网络的位置分布和基因标记。这样的人类胚胎心脏图谱使科学家能够充分利用宝贵的资源、细胞间通讯和谱系发育。
心脏胚胎组织的scRNA-seq分析显示三种类型的心肌细胞，两种类型的内皮细胞和四种类型的成纤维细胞样细胞。空间转录组结合scRNA-seq揭示了每种细胞类型的位置分布和基因标记。结合scRNA序列和空间异质基因组中的差异表达基因，筛选细胞类型和基因。
心脏细胞类型特异性基因和蛋白质相互作用网络的GO富集分析
案例二
通过使用10×GenomicsVisium和Space Ranger软件，展示了人类肠道发育和形态发生的时空图谱。在这项特定的研究中，从代表不同发育时间点和组织位置的17个胚胎中收集了77个肠道样本，并根据关键标记基因的精细聚类注释在隔室中确定了101个亚群。转录调控网络的定位和示例如下图所示，以突出显示每种细胞类型的关键调控网络，并使用scRNA-seq重建细胞命运的“决策树”，包括已知的发育调控因子、306个发育时程和44个调控网络的位置变化。对整个肠道发育过程中的组织进行ST分析，发现了scRNA-seq识别亚群的时空位置、上皮隐窝绒毛的形成、间充质的分化、肌肉层的建立、血管系统的扩张、免疫定植和肠道相关淋巴组织的出现。每种类型的细胞都有特定的基因标记，其中一些在基因表达、肠细胞类型特定基因和相互作用网络方面存在位置和时间点差异。这项特殊研究的杰出发现为理解新生儿疾病和肠道发育的遗传缺陷提供了新的见解。
以单细胞分辨率对人类肠道发育进行的时空分析确定了九个肠道分区，包括上皮细胞、成纤维细胞、内皮细胞、周细胞、神经细胞、肌层、间皮细胞、肌成纤维细胞和免疫细胞。每种类型的细胞都有特定的基因标记，其中一些在基因表达上存在位置和时间点差异。FABP1在上皮细胞中特异表达，在结肠中过度表达。HMGA2、MYH11和PHOX2B在结肠和回肠末端持续表达。确定肠道细胞特征基因，其在每种细胞类型中表现出特定的关键基因表达。
肠道细胞类型特异性基因和蛋白质相互作用网络的GO富集分析
空间转录组学应用的工作流程总结
(a) 空间转录组学技术主要用于解决疾病的空间异质性、生物空间转录组图谱和胚胎发育空间蓝图。四种ST技术包括微切割基因表达、原位杂交、原位测序和原位捕获。根据不同的样品特征和需要，使用不同的技术，并使用各种生物工具进行分析。
(b) 肿瘤微环境模拟图。ST技术有助于了解肿瘤细胞的空间位置、基因表达以及微环境中细胞间的分子通讯。例如，肺组织中的H&E染色提供样本病理信息和评估样本质量，并进一步整合细胞分组和位置信息分析，如基底细胞、杯状细胞、纤毛细胞、肺泡上皮细胞1型、2型和其他细胞，以便更好地理解细胞微环境中的分子通讯机制。
总结
随着新ST技术的快速发展，数据采集不断改进，ST分辨率、灵敏度、吞吐量和可访问性方面的挑战正在被克服。ST与石蜡包埋组织相容，提供了对生物库中采集的样本进行回顾性分析的可能性。这将有可能系统地检测各种组织并重建生物体的三维空间结构基因表达。改良的ST将使我们进一步了解生物体的发育过程，并为临床医学中的早期疾病检测和精确的靶向治疗提供基础。ST与多种技术的联合应用将需要满足临床需求。因此，我们相信，持续提高ST段分辨率和单细胞分辨率的敏感性将有利于临床实践和改善患者预后。
参考文献：
[1] Asp M, Giacomello S, Larsson L,et al. A Spatiotemporal Organ-Wide Gene Expression and Cell Atlas of theDeveloping Human Heart. Cell. 2019;179(7):1647-1660.e19.doi:10.1016/j.cell.2019.11.025
[2] Fawkner-Corbett D,Antanaviciute A, Parikh K, et al. Spatiotemporal analysis of human intestinaldevelopment at single-cell resolution. Cell. 2021;184(3):810-826.e23.doi:10.1016/j.cell.2020.12.016
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