科技 | 趙方慶團隊開發高通量三維空間轉錄組新技術

　　2024年9月10日，中國科學院動物研究所趙方慶團隊在 Nature Genetics 期刊發表了題為：Custom microfluidic chip design enables cost-effective three-dimensional spatiotemporal transcriptomics with a wide field of view 的研究成果。

　　該研究結合了先進的網格化微流控設計、碳二亞胺化學和空間組合標簽，開發了一種全新的空間芯片預制技術——MAGIC-seq。

　　趙方慶研究表示，相比現有技術，MAGIC-seq顯著提升了檢測通量，大幅降低了芯片成本和批次效應，同時兼顧了高分辨率和大面積捕獲區域，為大規模和復雜組織研究提供了新的可能性。

　　單組合，多點標記

　　近年來，空間轉錄組學作為一種能夠在組織原位解析基因表達的技術，在揭示組織細胞組成、空間異質性和復雜的細胞間互作關系方面發揮了重要作用，正逐漸成為胚胎發育、神經科學、疾病發生等研究方向的有力工具。然而，現有的空間轉錄組學技術仍然面臨如成本高、視野有限、通量低等瓶頸，嚴重影響了其在大規模組織研究和復雜生物過程分析中的應用，尤其是在構建三維及多時空全轉錄組圖譜方面的限制更為明顯。

　　論文共同第一作者、中國科學院動物研究所博士后朱俊杰表示，常規基于測序的空間轉錄組技術為獲取空間位置信息，要么依賴復雜昂貴的解碼過程，要么通過精密液體工作站進行定位，而且通常采用“單點，單標記”的策略，即每個捕獲點通常需要獨立的條形碼，如需處理多個樣品或者增大捕獲面積，其時間和成本也會成比例提升。DBiT-seq和Decoder-seq等基于微流控的方法通過組合標簽的方式提高了編碼效率，但通量仍較低，而且難以在保持高分辨率的同時覆蓋較大的組織區域。

　　針對這些痛點，MAGIC-seq采用獨特的網格化微流控芯片設計，優化空間編碼策略，通過多次交叉反應形成“單組合，多點標記”的布局，在保證高靈敏度的前提下，顯著提高了檢測通量并降低芯片制備成本，使空間轉錄組學研究變得更加經濟可行。同時，修飾的高度一致性和通量的提升降低了不同樣本間的批次效應，這在處理大量樣本的同時能保證定量的準確性。

　　拼接芯片

　　在空間轉錄組學研究中，如何在擴大視野的同時保持高分辨率一直是一個難題。通常情況下，擴大視野往往以犧牲分辨率為代價，但這對研究復雜生物過程、尤其是器官發育的動態變化，帶來了巨大的挑戰。

　　為此，MAGIC-seq提出了“拼接芯片”的概念，即通過調整網格間距和多輪編碼的方式將多個捕獲網格拼接在一起，突破了傳統微流控方法的通道限制，實現了高分辨率與大視野的兼顧。這種擴展能力不僅提高了實驗的靈活性，也為大規模組織研究提供了更廣闊的探索空間。值得注意的是，MAGIC-seq并不局限于特定布局，研究人員可以根據不同樣本的形狀和數量，自定義網格的布局，以優化通量或拼接芯片的形狀，從而更好地利用空間信息。

　　MAGIC-seq能夠對多種組織類型進行靈敏、高通量、一致的空間檢測

　　為了驗證MAGIC-seq的穩健性和應用廣泛性，研究團隊在包括小鼠大腦、小腦、心臟、肝臟、脾臟、肺和腎臟等多種組織中進行了檢測，并與10x Visium平臺和其他方法進行了比較。

　　結果顯示，MAGIC-seq在檢測靈敏度、測序效率和數據一致性方面表現出明顯的優勢。隨后，研究團隊利用拼接芯片在高分辨率下對從胚胎期到出生后不同發育階段的小鼠整體切片進行了精細描繪，成功捕捉到不同器官結構逐步形成的過程，以及各發育階段基因空間表達的變化，進一步鑒定了影響小腦發育軌跡的關鍵基因和通路。

　　此外，研究團隊還對發育中的小鼠大腦進行了系統性分析，通過數百張H&E染色切片和近百張基因表達樣本，成功構建了一個高質量的三維空間轉錄組圖譜，充分驗證了方法的穩健性。這一圖譜不僅展示了小鼠大腦在發育過程中細胞和分子的空間分布，還揭示了組織在不同發育階段的動態變化。這種多組織、大規模且兼顧分辨率與視野的高效檢測能力，使MAGIC-seq在廣泛的生物學研究中具有巨大的應用潛力，并為深入理解復雜生物過程的分子機制提供了寶貴的數據和工具支持。

　　趙方慶研究員表示，MAGIC-seq以其創新和靈活的設計，以及顯著的技術優勢，重塑了空間轉錄組學的技術框架。隨著技術的進一步優化，MAGIC-seq有望成為推動空間轉錄組學研究和應用的重要工具，并在更廣泛的研究領域中發揮重要作用。

　　來源：生物世界