2024-01-29
前面的介绍中，我们已经了解Xenium组织空间原位分析技术的原理，该技术可以在不损伤组织切片的情况下检测大量目标基因的组织原位表达水平并对数据进行可视化，并且具有高灵敏度、高分辨率、高通量等技术优势。自2023年初Xenium推出以来，相关文章已经发表了10余篇，其中关于方法介绍的文章目前占大多数，应用Xenium技术进行具体科学研究的文章已经发表了3篇bioRxiv预印本文章和1篇Nature Communications文章，涉及脑胶质瘤、卵巢癌、多发性硬化症和乳腺癌，还有更多应用领域值得探索，接下来让我们结合文章领略一下Xenium技术的强大应用前景！
文章一 题目：Ataxia-telangiectasia mutated (Atm) disruption sensitizes spatially-directed H3.3K27M/TP53 diffuse midline gliomas to radiation therapy 时间：2023年10月 单位：杜克大学 期刊：bioRxiv 弥漫性中线胶质瘤（DMGs）是一种致命的脑肿瘤，其特点是p53 失活突变和癌组织蛋白酶 H3.3K27M 突变为特征的致命性脑肿瘤。研究人员利用CAS/tv-a逆转录病毒和Cre重组酶灭活p53，并以谱系和空间定向的方式诱导天然H3f3a等位基因中的K27M，从而产生了原代小鼠DMG，发现DNA损伤反应激酶共济失调-毛细血管扩张症突变（ATM）的基因或药物破坏增强了局灶性脑照射的疗效，延长了小鼠的生存期。为解析其内在的作用机制，研究人员使用Xenium技术对小鼠脑panel的298个基因以及定制的DMG特异基因进行了空间原位检测，绘制了4个组（对照、化疗、抑制ATM及抑制ATM后化疗）共4只DMG小鼠的790374个细胞的空间转录组图谱。通过原位图谱分析发现，在ATM抑制后治疗组，细胞周期、脑信号蛋白通路和免疫-肿瘤互作都发生了改变，在后续的分子实验中，证明了反式依赖性的p53激活是DMG化疗敏感性的关键调控因子。 图1. 经局灶性脑照射或肿瘤Atm缺失治疗的原发性小鼠dmg中的空间聚类和差异表达基因 文章二 题目：Mapping ovarian cancer spatial organization uncovers immune evasion drivers at the genetic, cellular, and tissue level 时间：2023年10月 单位：斯坦福大学 期刊：bioRxiv 免疫逃逸和排斥是在实体肿瘤中实现免疫治疗和细胞治疗的核心障碍。研究人员应用单细胞空间和扰动转录组学以及临床、组织学和基因组图谱来阐明高级别浆液性输卵管性卵巢癌（HGSC）的免疫排斥和逃避。该研究使用CosMX、Xenium和MERFISH技术检测了60例患者95个肿瘤样本的共计130万个细胞空间图谱，揭示了HGSC肿瘤中的免疫浸润特征。其中使用Xenium技术对32例FFPE人乳腺癌样本的280个基因panel进行了检测，发现初始/记忆T细胞被困在肿瘤的基质细胞中，而效应/耗竭T细胞能抵御基质介导的捕获和封存，驻留在肿瘤区域。但是T细胞和自然杀伤（NK）细胞在渗入肿瘤后，只优先与高表达淋巴细胞浸润的恶性转录程序（MTIL）的恶性细胞亚群共定位，并在不同的拷贝数改变情况下受到抑制。文章阐明了肿瘤中体细胞遗传异常、恶性细胞转录紊乱和免疫逃逸在细胞和组织水平的内在联系，为针对重编程恶性细胞状态的靶向治疗提供了新的思路。 图2. HGSC空间单细胞转录组图谱 图3. HGSC中效应T细胞和肿瘤亚型共定位 文章三 题目：Single cell-resolution in situ sequencing elucidates spatial dynamics of multiple sclerosis lesion and diseaseevolution 时间：2023年6月 单位：斯德哥尔摩大学 期刊：bioRxiv 多发性硬化（multiple sclerosis，MS）是以中枢神经系统白质炎性脱髓鞘病变为主要特点的自身免疫病。研究人员通过构建实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）小鼠模型，对不同时期的不同组织部位进行了原位组织测序，利用单细胞数据获得了MS病变过程中的转录组图谱。之后使用Xenium技术已有的266个基因的人脑panel对MS患者活性和非活性损伤区域的脊髓进行了检测，共得到240372个细胞的空间转录组图谱，注释了疾病病演变过程中的疾病邻域，揭示了活动性和非活动性病变的细胞病理学特征，以及少突胶质细胞和星形胶质细胞在MS损伤中的空间偏好性，同时发现很多在组织学研究中无法发现的非活动性病变区域。研究人员证明疾病相关（DA）神经胶质细胞是动态的，在病变形成之前就已被诱导，与病变无关。对人类多发性硬化脊髓的单细胞空间分析证实了DA胶质细胞的不同分布，使活跃病变和非活跃病变解构为亚区，并确定了新的病变区域。通过建立单细胞分辨率的小鼠和人类多发性硬化症神经病理学空间资源，该研究揭示了多发性硬化症疾病演变背后错综复杂的细胞动态。 图4. 多发性硬化单细胞空间图谱 文章四 题目：High resolution mapping of the tumor microenvironment using integrated single-cell, spatial and in situ analysis 时间：2022年10月 单位：10×Genomics 期刊：Nature Communications 乳腺癌是一种多病理类型的复杂疾病，每个肿瘤亚型具有独特的特征和显著的细胞和分子异质性。10×Genomics团队使用Xenium技术获得了基因Panel范围内的高分辨率基因表达数据。使用了Xenium人类乳腺基因Panel中的280个基因和33个额外设定基因（共313个基因），额外设定的基因主要是根据人类乳腺组织的单细胞图谱数据（包括健康和致瘤状态）进行筛选的。经过一个循环的数据解码，完成原始荧光图像可视化，以高分辨率揭示了组织的详细结构（组织的直接荧光信号自激活成像）。再使用Xenium Explorer软件对组织光信号进行进一步检测及解码，使得从基因Panel中选择相关基因的表达情况，来识别基质细胞、淋巴细胞、巨噬细胞、肌上皮细胞、内皮细胞、DCIS（乳腺乳管内存在的异常细胞）和侵袭性肿瘤细胞。 为了验证包含313个基因的Panel的人类乳腺检测数据与Xenium组合的实际可靠性，该团队补充了组合基因在预期细胞类型中的相对表达。将scFFPE-seq和Xenium数据转换为相同的基因-细胞矩阵格式进行降维和t-SNE分析进行数据复现。将有监督的scFFPE-seq注释转移到Xenium数据中。发现在92%的病例中，细胞被明确识别为Xenium数据中的单细胞类型。将scFFPE-seq数据过滤至仅Xenium人乳腺基因Panel中所使用的313个基因时，发现了相同的细胞类型群，证实了Xenium人乳腺基因Panel有着同样真实地捕获了生物学异质性的可靠性。对两个连续切片的分析表明了该技术的可重复性，重复的细胞类型比例几乎相同，转录本计数高度相关。 图5. 乳腺癌应用Xenium技术检测图谱
参考文献： 1.Mangoli A, Wu S, Liu HQ, Aksu M, Jain V, Foreman BE, Regal JA, Weidenhammer LB, Stewart CE, Guerra Garcia ME, Hocke E, et al. Ataxia-telangiectasia mutated ( Atm ) disruption sensitizes spatially-directed H3.3K27M/TP53 diffuse midline gliomas to radiation therapy. bioRxiv [Preprint]. 2023 Oct 20. 2.Christine Yiwen Yeh , Karmen Aguirre , Olivia Laveroni, et al. Mapping ovarian cancer spatial organization uncovers immune evasion drivers at the genetic, cellular, and tissue level. bioRxiv [Preprint].2023 Oct 19. 3.C. M. Langseth, P. Kukanja, L. A. Rubio Rodríguez-Kirby, et al. Single cell-resolution in situ sequencing elucidates spatial dynamics of multiple sclerosis lesion and diseaseevolution. bioRxiv [Preprint].2023 June 30. 4.Janesick A, Shelansky R, Gottscho AD, et al. High resolution mapping of the tumor microenvironment using integrated single-cell, spatial and in situ analysis. Nat Commun. 2023 Dec 19;14(1):8353.
