細胞的轉錄信息、空間位置信息、形態學信息、生理病理信息等對理解細胞功能至關重要。scRNAseq將我們對細胞基因表達的認識推進到單細胞層面，目前已在新細胞類型的發現、揭示細胞異質性等方面展現出優勢。然而，scRNAseq雖然能夠深入分析細胞之間的異質性，解析不同類型細胞的生理特點，但卻難以還原細胞的原始位置信息，且部分細胞在離開特定微環境以及酶解過程基因表達譜會發生變化，無法進行微環境精準探索。
細胞在特定的空間位置與微環境協同作用并發揮其特有的生物學功能。空間轉錄組測序可以同時獲得細胞的空間位置信息和基因表達數據，進一步推進了對組織原位細胞真實基因表達的研究。目前廣泛應用的10x Genomics Visium空間轉錄組測序技術，利用空間條形碼及Oligo(dT)微陣列技術，可實現完整組織切片中的轉錄組定量及可視化和分析，進而對細胞互作進行精準分析、對微環境進行精準探索，為腫瘤生物學中細胞相互作用、組織微環境和神經科學等領域提供了重要的研究手段，極大地擴展了對復雜多細胞生物系統的認知。
10x Visium 空間轉錄組原理
將單細胞測序和空間轉錄組測序兩種技術進行結合，可以獲得不同細胞類型及其組織空間位置的基因表達信息，進而將不同單細胞亞群進行空間定位，對空間轉錄組的位置信息進行注釋，并從細胞-細胞互作的維度精確解析腫瘤微環境的異質性。
單測+空轉聯合分析
惡性腫瘤是一類死亡率較高的疾病，其發生、發展機制較為復雜，轉錄組測序技術對揭示腫瘤作用機制具有重要意義。空間轉錄組測序可應用于腫瘤異質性、腫瘤的發生與發展、腫瘤免疫微環境等研究方向，探明不同腫瘤空間位置上的差異、癌組織與癌旁組織的差異、免疫細胞的不同分布對預后效果的影響等，解釋腫瘤的發生發展以及轉移機制，為腫瘤的治療及預后提供新的思路。
復雜的腫瘤微環境
一、腫瘤異質性分析
腫瘤的異質性體現在多方面，包括遺傳物質的異質性（genetic mutation）、腫瘤細胞形態及功能異質性、空間異質性等。空間異質性可以表現在不同的器官，比如原發灶的病灶以及肝轉移、肺轉移等轉移部位的病灶，其特點不一樣，對化療的敏感度也不同，部分病灶在靶向治療時甚至會出現增大的現象，是腫瘤異質性的典型表現。
在前列腺癌相關研究中，作者通過分析鄰近腫瘤區域間質腫瘤微環境中的基因表達梯度，對前列腺癌的腫瘤異質性進行重新分層[1]。
在一項新的研究中，研究人員利用空間轉錄組學構建出整個前列腺的橫斷面圖譜，包括健康細胞和癌細胞的區域, 并通過推斷良性和惡性組織中多個區域的空間拷貝數變化探索腫瘤內和附近良性組織中不同的克隆模式[2]。
二、免疫微環境分析
腫瘤細胞與腫瘤微環境之間是相互依存、共同發展的，腫瘤浸潤性淋巴細胞的種類和組成可以直接影響一些治療方法的結果。胰腺導管癌（Pancreatic ductal adenocarcinoma, PDAC)是最常見的一種胰腺癌，屬于浸潤性上皮腫瘤，病理上可見較多導管上皮來源的細胞。在胰腺癌相關研究中，研究者們利用空間轉錄組和單細胞測序繪制PDAC的癌細胞粘連區、非惡性導管上皮區、基質區域，識別每個轉錄本在組織內的空間定位，解析腫瘤微環境下的細胞狀態，繪制癌細胞狀態到不同的空間組織區域，并描述它們與其他細胞類型之間的相互作用[3]。
肝轉移是結直腸癌死亡的主要原因，表現出高度異質性和抑制性的免疫微環境。免疫細胞如何在空間上協調大腸癌肝轉移（CRLM）的進展對于設計新的治療策略至關重要。研究者們利用單細胞轉錄組和空間轉錄組測序探索結直腸癌肝轉移的免疫圖譜，整合單細胞轉錄組和空間轉錄組數據，在未處理的樣本中觀察到與單細胞轉錄組數據一致的免疫細胞模式，如在結直腸癌（CRC）和肝轉移(LM)中CD8+ T細胞顯著富集。在新輔助化療（NAC）處理的樣本中，觀察到更小的腫瘤區域和不規則的免疫細胞分布。兩組學聯合分析結果突出了CRLM患者的時空動態免疫細胞景觀和NAC后的巨大重塑[4]。
三、細胞類型/亞群共域化
腫瘤微環境由不同的細胞群構成，共域的細胞類群之間存在細胞互作或者共同參與某些反應。皮膚鱗癌也叫做表皮癌（cSCC）,是發生于表皮或附屬器細胞鱗狀上皮部位的一種惡性腫瘤，癌細胞有不同程度的角化。cSCC具有高度異質性，臨床上常出現切除癌變部位淋巴結轉移，PD-1治療容易出現耐藥性等。在皮膚鱗癌的研究中，研究者使用單細胞RNA-seq和空間轉錄組技術，找到了對于腫瘤生長和轉移極其關鍵的新的細胞亞群TSK及其空間定位，揭示了cSCC的基因表達情況，空間異質性，空間分布特征等對腫瘤生長和轉移的影響[5]。
【參考文獻】
1. Berglund E, Maaskola J, Schultz N, et al. Spatial maps of prostate cancer transcriptomes reveal an unexplored landscape of heterogeneity. Nat Commun, 2018, 9(1): 2419.
2. Erickson A, He M, Berglund E, et al. Spatially resolved clonal copy number alterations in benign and malignant tissue. Nature, 2022, 608(7922):360-367.
3.Moncada R, Barkley D, et al. Integrating microarray-based spatial transcriptomics and single-cell RNA-seq reveals tissue architecture in pancreatic ductal adenocarcinomas. Nat Biotechnol. 2020, 38(3):333-342
4. Ying Wu, Shuaixi Yang, et al. Spatiotemporal Immune Landscape of Colorectal Cancer Liver Metastasis at Single-Cell Level. Cancer Discov.2022, 12(1):134-153
5. Ji AL, et al. Multimodal Analysis of Composition and Spatial Architecture in Human Squamous Cell Carcinoma. Cell. 2020, 182(6):1661-1662.