经典案例合集 | 空间多组学实现单细胞多维度分析

案例一

多组学技术联合进行膀胱癌预后生物标志物探索

题目：An N-Cadherin 2 expressing epithelial cell subpopulation predicts response to surgery

发表杂志：Nature Communications

美国西达赛奈医学中心的科学家通过单核 RNA 测序，结合空间转录组学和单细胞原位空间蛋白分析人类膀胱癌，确定了具有治疗反应预测能力的CDH12+上皮亚群，为免疫治疗有效性患者的预测提供了更清晰的途径，为设计生物标志物指导的临床试验提供了新思路。

研究者使用单核细胞测序、空间转录组鉴定出CDH12作为预后的生物标志物，但生物学解释尚不清楚。使用单细胞原位空间蛋白方案，检测组织原位的35种蛋白分子，进行单细胞水平的蛋白标志物分析、细胞邻域空间表型分析，在蛋白表达水平验证了CDH12 作为生物标志物的可能性。结合细胞空间关系和其他免疫细胞标志物，发现富含CDH12的上皮细胞驻留在CD8+T细胞耗尽后富集的独特细胞生态位中，揭示了CDH12作为生物标志物的分子机制。

案例二

多组学联用解析三阴性乳腺癌静默癌症细胞生态位

题目：Quiescent cancer cells resist T cell attack by forming an immunosuppressive niche

发表杂志：Cell

美国丹娜法伯癌症研究院的科学家对三阴性乳腺癌中对免疫治疗不反应的静默癌症细胞的生态位进行研究。文章使用转录组测序，单细胞测序，多重免疫荧光，单细胞原位空间蛋白分析等多组学技术共同对肿瘤中静默细胞生态位进行研究。

研究者首先使用荧光标记识别注射的肿瘤细胞和Jedi T细胞，方便对这些细胞进行分离，追踪和进一步分析。并且采用了一种特殊的光转化确认肿瘤微环境结合单细胞测序的技术PADME-seq (photo-conversion of areas to dissect micro-environments)。通过流式细胞分选术对杀伤性T细胞注射后存活的GFP肿瘤细胞，然后对这些细胞进行转录组测序。测序结果显示这些细胞仍具有肿瘤启动能力。

之后，研究者采用多重免疫荧光方法，发现静止癌细胞（QCC）所在区域的免疫细胞浸润减少，增殖能力下降。转录组测序同样发现缺氧诱导因子HIF1a在QCC细胞中表达上调。单细胞测序结果显示QCC区域内天然免疫能力下降，免疫反应相关通路表达下调，树突细胞中MHCI和MHCII的表达也下调，说明QCC的免疫呈递功能下降。单细胞原位空间蛋白分析和多重免疫荧光结果同样发现QCC区域内MHCII的表达下降。

这篇文章构建了一种可追踪的肿瘤小鼠模型，通过荧光标记追踪肿瘤细胞和杀伤性T细胞。并且联用转录组测序，单细胞测序，流式细胞分选，多重免疫荧光，单细胞原位空间蛋白分析等多组学技术，相互验证，共同展示了QCC细胞及其生态位内部的微环境和作用机制。

案例三

原位多组学空间表型分析深度解析艾滋病免疫失调机制

题目：Combined protein and nucleic acid imaging reveals virus-dependent B cell and macrophage immunosuppression of tissue microenvironments

发表杂志：Immunity

美国斯坦福大学的Garry Nolan研究团队通过蛋白-核酸原位成像法实现了33种生物标志物检测，建立了多组学空间表型分析体系，并报道了HIV宿主淋巴组织免疫抑制微环境形成机制的研究成果。

研究选用了非人灵长类动物疾病模型，分别利用猿猴免疫缺陷病毒（SIV）和新冠病毒（SARS-CoV-2）进行vDNA和vRNA造模。将核酸原位杂交技术（DNA/RNA Scope）与该团队常用的几种蛋白原位检测技术：IF、多重免疫荧光、单细胞原位空间蛋白分析、MIBI相结合，在细胞系和组织切片中实现蛋白-核酸原位成像（简称PANINI）。

研究者在超多靶标蛋白-核酸原位成像的基础上对样本进行空间表型分析，对比SIV感染组和对照组恒河猴淋巴组织中的细胞表型差异。采用细胞邻域（Cellular Neighborhood，简称CN）分析，得到了11个有着独特细胞分布特征的细胞邻域。在CN分类完成的基础上，分析SIV感染导致的细胞邻域分布改变以及其中细胞的功能调节。

并使用蛋白-核酸原位成像技术进行了SIV病毒感染后组织特性的分析，找出了感染过程中关键的标志物（CD56，IL-10，FoxO1，HLA-DR，CD21等），并提出了相应的原位多组学空间表型分析模型。