空间生物学： 解析全景

但什么是空间生物学，研究人员如何利用其工具和思维方式来回答后组学时代日益增长的生物学问题？在本文中，我们将简要概述空间生物学这一主题、其技术和产品，以及研究人员可能提出的问题，从而了解这一不断发展的领域。

什么是空间生物学？

简单地说，空间生物学是空间数据与生物分子特征信息的结合。换句话说，当 XY（或 XYZ）坐标信息被分配给样本中已识别的生物分子时，由此产生的数据可被称为空间生物学。不过，该术语通常只有在进行大规模研究时才会被使用——当数千或数百万个细胞、蛋白质、转录本或其他分析物在空间上被解析时。

例如，研究单个蛋白质及其在细胞培养物中的位置可能称不上是空间生物学研究，但在上百个其他蛋白质和 RNA 分子的异质组织样本中探索单个蛋白质则更有可能称得上是空间生物学研究。这样，研究人员就能在原生组织结构和细胞微环境的背景下探索各种生物分析物的分布情况。因此，空间生物学可以揭示组织中细胞生物学的多样性和空间异质性，以及细胞的空间组织。

如何生成空间生物学数据？

产生空间生物学数据的三个主要技术系列是荧光显微镜、测序、质谱，通常是三者的结合。特定的空间生物学子类型通常由添加位置数据的基础技术来定义。例如，处理大量器官组织并对裂解液中的 RNA 分子进行测序或使用单细胞测序可称为转录组学，而使用显微切割技术将 RNA 测序读数分配到特定物理位置则更可能被称为空间转录组学或空间分辨转录组学。空间转录组学方法也可以通过将条形码标签与样本中的 RNA 分子杂交，然后直接使用新一代测序或荧光探针读取来揭示标签物种的身份。另外，基于 DNA 原位测序的方法也可通过一种称为空间基因组学的方法应用于空间生物学工具集。例如，这种方法可用于探索肿瘤细胞中拷贝数的变化，或发生非整倍体——染色体数量偏离正常值——的组织中染色体数量的变化。

利用质谱技术识别样本中的蛋白质被称为空间蛋白质组学或空间分辨蛋白质组学。采用这种方法时，可以先对组织区域进行显微解剖并进行质谱分析，然后再将这些区域重新对准参考图像。另外，各种成像质谱技术可直接分析组织区域。这些技术有一个共同的基本方法——制备样本，然后对组织区域进行离子化，获得并分析质谱，然后再将质谱与样本中的位置联系起来。

同一系列的技术还可以获得非蛋白质代谢物的定量空间信息，通常称为空间代谢组学，尽管分析物不一定是细胞代谢的直接产物。这类方法可以分析脂质（脂质组学）、糖类（糖组学），甚至是评估药效学的药物分子。这是一种极具挑战性的方法，它在很大程度上依赖于良好的测量标准，但却为人们广泛深入地了解人体组织化学打开了一扇大门。

用于空间蛋白质组学的多重成像技术

空间蛋白质组学并不一定只能通过质谱法来实现。它也可以通过光学显微镜和超多标成像工作流程来检测样品中的数十或数百个蛋白质。质谱法或多重成像法的不同之处在于复杂性，即单个样品中可分析的分析物的数量。分析少量分子可称为低标或中标，而分析成百上千个分子则可称为超多标。为什么研究人员要在空间生物学实验中使用低标技术？基于成像的方法通常具有提供更高分辨率成像组织的优势。如果需要了解分析物在单个细胞中的精确位置，多重成像可能是实现这一结果的唯一途径。

例如，免疫肿瘤学研究人员通常对高度特化的免疫细胞亚型的精确细胞类型特性感兴趣。这可能需要五到十个生物标记物的单细胞分辨率才能确定准确的表型，因此需要分辨率更高的低倍增方法。低/中标技术和超多标技术并不相互排斥。低倍方法可以确定假设，甚至是组织的特定区域，以便在工作流程的后期使用基于质谱或测序的高倍方法进行分析。

超多标成像如何为空间生物学研究提供途径？超多标空间生物学有许多工作流程，使用多种技术，例如：

• 染色和成像合二为一
• 单通下层建筑
• 一体化全息解决方案
• 迭代染色

如需深入了解这些技术，请参阅 多超多标类型、优势和应用。

应用实例： 肿瘤微环境

研究人员为什么要使用这些技术？采用空间方法是技术进步与对细胞和组织生物活动的深入了解相结合的产物。随着人们越来越容易了解细胞内的转录本、蛋白质和分子，研究人员也越来越好奇这些分子是如何组织起来的，尤其是在异质组织内和疾病状态下。以肿瘤微环境为例：大量的知识已经揭示了肿瘤发生和癌症进展的许多分子决定因素。由于掌握了这些知识，许多经典的致癌基因和致癌途径已成为治疗的靶点，但成功与否参差不齐。一个有希望的治疗领域是免疫疗法，它能刺激病人的免疫系统攻击和破坏肿瘤组织。然而，确定哪些患者将从通常非常昂贵的药物中获益是一项挑战。

预测对免疫治疗药物的反应的关键往往隐藏在组织的组织结构以及与肿瘤本身非常接近的细胞的特性中。肿瘤细胞离血管有多近？是否存在或不存在将肿瘤与周围环境区分开来的免疫细胞？这些免疫细胞是进入还是离开肿瘤区域？这些细胞是否已对肿瘤做出反应，还是处于衰竭状态？肿瘤的基因和蛋白质表达是否存在异质性，是否显示出分化为不同的代谢片段？所有这些问题都与预测免疫疗法反应有关，是空间生物学方法的最佳问题。

应用实例： 遗传与发育

经典的癌症遗传学也可能受到空间生物学技术的影响。研究人员可能会问：DNA 修复缺陷的细胞在哪里？是哪些细胞或基因毒性损伤造成了这些细胞，特定的基因毒性又造成了怎样的空间损伤模式？空间生物学也有非癌症、非转运的途径。例如，毛囊等发育中的复杂组织显示了干细胞，这些干细胞通常具有相当细微的细胞特性，并根据毛发生命周期的进展进入不同的龛位。这类发育生物学环境非常适合利用空间生物学方法。事实上，任何需要精细了解细胞特征和位置的实验环境都可以从空间生物学技术中受益。

结论

空间生物学是一系列工具、方法和分析模式的总称，旨在利用全息技术和成像技术来深入了解人体组织的组织结构。随着这些技术的不断进步，研究人员所能提出和回答的问题范围也将不断扩大。癌症生物学、医学、发育生物学等复杂领域都将受到这些技术突破的深刻影响。采用空间生物学的 "思维方式" 将有助于轻松过渡到使用这些方法，并鼓励研究人员思考这种方法如何为他们当前的实验系统及其他系统提供新的见解。