劉四民，王 晶△，王振娟，劉 琳 綜述，韓 樂(lè) 審校

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，甘肅蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)第一醫(yī)院生殖中心，甘肅蘭州 730000

空間組學(xué)技術(shù)是繼單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)之后的另一個(gè)熱點(diǎn)生物技術(shù)，它能夠彌補(bǔ)單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)無(wú)法獲取細(xì)胞空間分布信息的缺陷，主要包括空間代謝組、空間蛋白質(zhì)組、空間轉(zhuǎn)錄組三個(gè)部分[1]。其中空間代謝組學(xué)技術(shù)通過(guò)質(zhì)譜成像的高分辨技術(shù)進(jìn)行有效空間上的分析；空間蛋白質(zhì)組學(xué)可以檢測(cè)并定位細(xì)胞中復(fù)雜蛋白質(zhì)以及分析它的復(fù)雜結(jié)構(gòu)；空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)對(duì)細(xì)胞的基因表達(dá)進(jìn)行定量測(cè)量，同時(shí)提供細(xì)胞在組織空間的具體位置信息；空間組學(xué)技術(shù)能夠分析組織中的時(shí)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(diǎn)相同的生物體或組織，也為探測(cè)細(xì)胞異質(zhì)性和細(xì)胞外基質(zhì)生物學(xué)提供了新的方法[2]。近年來(lái)空間組學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，在國(guó)內(nèi)外的影響也越來(lái)越大，且在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)論壇中也占據(jù)了一定的地位，目前該技術(shù)也被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)科技領(lǐng)域中。本文主要通過(guò)概述空間組學(xué)技術(shù)在代謝性疾病、腫瘤以及某些傳染疾病中的應(yīng)用來(lái)闡明空間組學(xué)技術(shù)在醫(yī)學(xué)方向的研究進(jìn)展。

1 空間組學(xué)技術(shù)

1.1空間代謝組學(xué)技術(shù) 空間代謝組學(xué)技術(shù)是一種新型的主要分析生物代謝物的質(zhì)譜成像技術(shù)，它專(zhuān)注于在細(xì)胞、組織、器官和生物體的空間環(huán)境中檢測(cè)和解釋代謝物、脂質(zhì)、藥物和其他小分子[3]，且已經(jīng)提供了在組織空間環(huán)境中如何調(diào)節(jié)新陳代謝的發(fā)現(xiàn)[4]，空間代謝組學(xué)技術(shù)能直接從生物組織中獲得大量已知或未知的內(nèi)源性代謝物和外源性藥物等分子的結(jié)構(gòu)、含量和空間分布信息。主要包括需要在真空條件下進(jìn)行離子化的二次離子質(zhì)譜(SIMS)、基質(zhì)輔助激光解吸電離技術(shù)(MALDI)、解吸電噴霧電離技術(shù)(DESI)以及敞開(kāi)式空氣動(dòng)力輔助離子化質(zhì)譜成像技術(shù)(AFAI)等技術(shù)。中國(guó)藥科大學(xué)李彬應(yīng)用MALDI對(duì)甘草中黃酮類(lèi)成分、芍藥中單萜苷和沒(méi)食子酰單寧類(lèi)成分以及銀杏葉中黃酮類(lèi)和內(nèi)酯類(lèi)成分進(jìn)行空間分析，成功揭示了組織特異性分布和累積規(guī)律，對(duì)藥物的空間分析具有重大意義[5]。此外還有研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于虛擬校準(zhǔn)定量質(zhì)譜成像(VC-QMSI)方法，準(zhǔn)確量化紫杉醇(PTX)及其前藥(PTX-R)在全身動(dòng)物切片中的分布，定量繪制藥物在全身和組織微區(qū)的吸收、分布、代謝和排泄(ADME)[6]，從而可以評(píng)價(jià)抗癌藥物的腫瘤靶向效率，以預(yù)測(cè)藥物療效和安全性，并為藥物處置和作用和耐藥機(jī)制提供新的見(jiàn)解。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，傳統(tǒng)的分析方法已無(wú)法滿(mǎn)足學(xué)者們的追求，而空間代謝組學(xué)技術(shù)的免標(biāo)記、時(shí)間短、耗費(fèi)低；對(duì)靶標(biāo)(已知)和非靶標(biāo)(未知)分子同時(shí)分析；能提供組織切片中多種分子結(jié)構(gòu)信息和空間分布信息等特點(diǎn)，使其有望成為人工智能時(shí)代下分析生物體組織代謝、藥物作用靶點(diǎn)、植物細(xì)胞等組織的空間分布的主要技術(shù)，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(zhì)組學(xué)技術(shù) 空間蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)是一種可以在不丟失空間位置的情況下檢測(cè)數(shù)十種蛋白質(zhì)的組學(xué)技術(shù)，用于監(jiān)測(cè)細(xì)胞和組織中的蛋白質(zhì)定位的方法中最突出的是成像方法?；诔上竦目臻g蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)可以在亞細(xì)胞分辨率下為單個(gè)細(xì)胞提供富有成效的新表型狀態(tài)讀數(shù)，這可能有助于揭示非遺傳細(xì)胞異質(zhì)性在腫瘤發(fā)生和耐藥性中的作用[9]。目前大約50%的人類(lèi)蛋白質(zhì)組的功能和定位尚未得到詳細(xì)表征，僅根據(jù)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)或序列特征或通過(guò)其他物種的推斷進(jìn)行注釋。因此，捕捉空間蛋白質(zhì)組——即蛋白質(zhì)的定位及其在亞細(xì)胞水平上的動(dòng)態(tài)——對(duì)于全面了解細(xì)胞生物學(xué)至關(guān)重要[10]。此外，LUNDBERG等[11]提出的貝葉斯混合建模方法使蛋白質(zhì)在亞細(xì)胞位置上具有概率分布，貝葉斯計(jì)算使用期望最大化算法執(zhí)行。該方法允許蛋白質(zhì)組范圍內(nèi)的不確定性量化，且計(jì)算框架很靈活，可以分析許多不同的系統(tǒng)，因此也揭示了空間蛋白質(zhì)組學(xué)新的建模機(jī)會(huì)。哺乳動(dòng)物細(xì)胞被組織成不同的隔室，這些隔室不僅提供了專(zhuān)門(mén)的局部環(huán)境還允許同時(shí)進(jìn)行不同的、不相容的生物過(guò)程。而空間蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)則以這些亞細(xì)胞位置為目標(biāo)，以空間定位的方式揭示了生物體蛋白質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。人類(lèi)蛋白質(zhì)圖譜(HPA)提供的大規(guī)模空間蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)集有望與使用轉(zhuǎn)錄組學(xué)和定量蛋白質(zhì)組學(xué)方法的其他正在進(jìn)行的和未來(lái)的工作相結(jié)合，對(duì)研究人類(lèi)疾病有著重要作用[12-13]。

1.3空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù) 空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)是一種捕獲組織轉(zhuǎn)錄物空間結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)，目前已經(jīng)成為直接在組織中捕獲和定位條形碼RNA的關(guān)鍵技術(shù)[14]。以單細(xì)胞為基礎(chǔ)，以RNA測(cè)序方式進(jìn)行定位研究其生物學(xué)功能的一種基于圖像的技術(shù)。危瑩和上官鈺等[15-16]在匯總了國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)的測(cè)序方法后，將空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)分成了基于原位雜交，基于高通量測(cè)序，基于原位測(cè)序，基于活細(xì)胞標(biāo)記這四類(lèi)，并發(fā)現(xiàn)其在腫瘤組織空間異質(zhì)性的探究有著重要作用，對(duì)人類(lèi)對(duì)腫瘤的治療以及防治有著極大的指導(dǎo)意義。此外利用空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序(GaST-seq)，一種易于采用的微尺度空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)工作流程，來(lái)研究植物組織小區(qū)域的表達(dá)圖譜。大量空間實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了GaST-seq方法在識(shí)別植物器官的表達(dá)差異方面的高靈敏[17]。而傳統(tǒng)動(dòng)物轉(zhuǎn)錄組的研究主要是在器官或者組織水平上進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，忽略了單個(gè)細(xì)胞在遺傳方面的特殊性，單細(xì)胞RNA測(cè)序(scRNA-seq)也能夠在單個(gè)細(xì)胞水平上揭示細(xì)胞內(nèi)整體水平的基因表達(dá)狀態(tài)和基因結(jié)構(gòu)信息，幫助理解其基因型和表型之間的相互關(guān)系[18-19]，因此對(duì)疾病的研究及治療意義重大。

2 空間組學(xué)技術(shù)在醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用

2.1代謝性疾病的應(yīng)用 糖尿病腎病是糖尿病最重要的并發(fā)癥之一，在我國(guó)其發(fā)病率目前也處于一個(gè)上升趨勢(shì)，為了有效控制糖尿病腎病的發(fā)展，找尋新的研究技術(shù)尤為重要?；跉饬鬏o助解吸電噴霧電離(AFADESI)和基質(zhì)輔助激光解吸電離(MALDI)是一種集成質(zhì)譜成像(MSI)的空間分辨代謝組學(xué)方法，可以用來(lái)研究組織特異性代謝改變來(lái)揭示糖尿病患者空間組織位置代謝物的變化[20]，通過(guò)高化學(xué)特異性和高空間分辨率可對(duì)代謝物空間位置獨(dú)特分布模式進(jìn)行可視化，突出了AFADESI和MALD整合基于MSI的代謝組學(xué)方法在代謝性腎臟疾病中的應(yīng)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(jié)律，其在一定程度上控制著健康和疾病，不規(guī)律的晝夜節(jié)律是引發(fā)一些代謝性疾病的罪魁禍?zhǔn)?，時(shí)空晝夜代謝組學(xué)闡明了人們晝夜行為和生理學(xué)背后的一些機(jī)制，利用其發(fā)現(xiàn)新的生物標(biāo)志物、更好地預(yù)測(cè)生理時(shí)間以及為個(gè)性化醫(yī)療開(kāi)發(fā)新見(jiàn)解[22]。

2.2腫瘤方面的應(yīng)用 惡性腫瘤目前已成為一個(gè)世界性公共衛(wèi)生問(wèn)題威脅著人們的生命和健康。世界衛(wèi)生組織國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)發(fā)布了最新癌癥數(shù)據(jù)，2020年全球新增癌癥病例1 930萬(wàn)例，因腫瘤死亡病例為996萬(wàn)例，其中中國(guó)300萬(wàn)例，占總?cè)藬?shù)的30%，位居全球第一[23]，因此發(fā)現(xiàn)新的腫瘤研究及防治技術(shù)極為重要?？臻g組學(xué)技術(shù)提出了將空間生態(tài)學(xué)原理轉(zhuǎn)移到癌癥生物學(xué)中的空間數(shù)據(jù)解釋?zhuān)侥壳盀橹?，空間組學(xué)也進(jìn)入了空間癌癥研究的黃金時(shí)代[24]。有學(xué)者提出了一種空間分辨代謝組學(xué)方法，用于使用環(huán)境質(zhì)譜成像高通量發(fā)現(xiàn)腫瘤相關(guān)代謝物和酶改變，在異質(zhì)食管癌組織中有效地發(fā)現(xiàn)和可視化了與腫瘤代謝相關(guān)的代謝途徑相關(guān)代謝物和代謝酶[25]，而空間分辨酶和相應(yīng)代謝物信息的整合也提高了臨床工作者對(duì)腫瘤代謝的理解。

結(jié)直腸癌(CRC)等實(shí)體瘤的發(fā)展和進(jìn)展會(huì)受到免疫系統(tǒng)的影響，有研究提出了一種多模式方法來(lái)解決骨髓和T細(xì)胞在CRC腫瘤時(shí)間中的分布，將基于數(shù)字圖像的分析(包括細(xì)胞密度、細(xì)胞間距離和空間重疊)與基因表達(dá)譜相結(jié)合，將腫瘤空間特征與腫瘤浸潤(rùn)免疫細(xì)胞的生物學(xué)功能聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行研究的方法[26]。通過(guò)GeoMX數(shù)字空間分析器對(duì)35例三期結(jié)腸癌患者進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了混合效應(yīng)機(jī)器學(xué)習(xí)(MEML)方法在結(jié)腸轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)方面有優(yōu)于固定效應(yīng)和廣義線性方法的批次內(nèi)性能，當(dāng)MEML方法與廣義線性建模相結(jié)合時(shí)，可能會(huì)通過(guò)提取關(guān)鍵的復(fù)雜相互作用來(lái)更清晰地傳達(dá)臨床研究中重要的空間疾病關(guān)聯(lián)[27]。骨髓生態(tài)位是由調(diào)節(jié)成人造血的多個(gè)基質(zhì)成分網(wǎng)絡(luò)組成的空間環(huán)境，利用代謝組學(xué)技術(shù)使用全基因RNA測(cè)序來(lái)了解骨髓的細(xì)胞成分，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確定了八個(gè)不同的功能簇，使用成熟的急性髓性白血病患者來(lái)源的異種移植物(AML-PDX)模型檢查了在急性髓系白血病(AML)發(fā)生過(guò)程中影響這些成分的變化，并且通過(guò)使用基于鄰近的分子方法，確定了間充質(zhì)區(qū)室中早期疾病發(fā)作失調(diào)的基因[28]。

2.3傳染性疾病方向 傳染病是困惑人類(lèi)的一類(lèi)疾病，其廣泛，通常發(fā)生在一個(gè)或者多個(gè)的局部炎癥特征，新陳代謝反映了多個(gè)分子和細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)之間本質(zhì)上復(fù)雜的相互作用。這些動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)是炎癥反應(yīng)、組織退化和再生等基本生物學(xué)功能的基礎(chǔ)?？赏ㄟ^(guò)質(zhì)譜成像(MSI)等多模態(tài)無(wú)標(biāo)記分子成像技術(shù)與空間分辨的高度多路復(fù)用蛋白質(zhì)和轉(zhuǎn)錄組圖譜相結(jié)合共同用于了解傳染病的進(jìn)展和描繪炎癥微環(huán)境；以肉芽腫性炎癥為例并展開(kāi)了研究?？臻g分辨的免疫代謝提高了檢驗(yàn)人員對(duì)微生物感染核心的不同免疫譜系和不同群體的認(rèn)識(shí)，它可以幫助描述重要感染的發(fā)病機(jī)制[29]。

2019年，由新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)感染引起的呼吸系統(tǒng)疾病新型冠狀病毒感染(COVID-19)被報(bào)道，隨后疫情在世界上各個(gè)國(guó)家和地區(qū)暴發(fā)且迅速流行。COVID-19的傳染性強(qiáng)、病死率高，為有效控制疫情的發(fā)展，新冠病毒的檢測(cè)至關(guān)重要，國(guó)內(nèi)外各研究團(tuán)隊(duì)及機(jī)構(gòu)已研發(fā)出各種檢測(cè)新冠病毒的有效手段和儀器設(shè)備[30-31]。人們開(kāi)發(fā)了一種大規(guī)模宿主和病毒分析的鳥(niǎo)槍元轉(zhuǎn)錄組學(xué)平臺(tái)(total-RNA-seq)[32]，將特定宿主反應(yīng)和基因表達(dá)擾動(dòng)與SARS-CoV-2感染聯(lián)系起來(lái)，以及患者的血管緊張素轉(zhuǎn)化酶(ACE)途徑相關(guān)的臨床數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)聯(lián)系起來(lái)，使用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)來(lái)繪制來(lái)自COVID-19患者尸檢的SARS-CoV-2感染肺部的血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(ACE)活性表達(dá)圖。此外還通過(guò)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(tài)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)特征。在空間結(jié)構(gòu)分析中指出的與抗原呈遞細(xì)胞非常接近的小管間質(zhì)中的巨噬細(xì)胞顯性細(xì)胞表型和顯著的T細(xì)胞反應(yīng)，從而描述了腎小管上皮細(xì)胞的代謝重編程[33]，對(duì)此類(lèi)呼吸傳染性疾病的研究具有重要作用。

3 總結(jié)及展望

從二維到三維，人類(lèi)在醫(yī)學(xué)發(fā)展方面日益強(qiáng)大，走在世界最前沿的空間組學(xué)技術(shù)，在防治人類(lèi)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(tǒng)二維結(jié)構(gòu)跳躍到三維空間去研究分析藥物異質(zhì)性分布、亞細(xì)胞定位、以及復(fù)雜蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。細(xì)胞是生命最基本的單位，以細(xì)胞為基礎(chǔ)，利用空間組學(xué)技術(shù)從不同層次去研究，可以更加輕便的解決二維結(jié)構(gòu)上無(wú)法突破的層次。

在現(xiàn)代化人工智能時(shí)代，人工智能與空間組學(xué)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(lèi)擺脫癌癥、新冠肺炎等疑難雜癥，有望為人類(lèi)預(yù)防疾病起到空前重要的作用。