Cell：首次实现重复印刷分辨率达到1微米的高密度DNA芯片

北京时间2022年11月11日， 《Cell》 在线发表华盛顿大学古良才团队关于DNA芯片印刷技术与单细胞空间组学的突破性工作。该团队首次实现在聚丙烯酰胺凝胶表面重复印刷分辨率达到1微米的高密度DNA芯片。

他们将这种芯片命名为polony gel，并将其运用于空间转录组学，发明了新的单细胞空间转录组技术——Pixel-seq，并成功提高了这类技术的空间分辨率和检测灵敏度。该团队 应用该技术绘制了小鼠重要且相对复杂的脑干区域的单细胞水平空间基因表达图谱，并首次揭示了慢性神 经性疼痛诱发的脑区内各类细胞发生的基因差异表达。 该研究 融合了生化 、材料、机械电子、统计学、神经生物学在内的多学科知识与技术。

近年来空间转录组技术受到学术界和工业界的高度重视。Cell在去年和今年5月分别发表了基于因美纳（Illumina）测序芯片与华大基因（BGI）纳米球测序芯片的高分辨率空间转录组技术：Seq-Scope和Stereo-seq。相比于这两类较为昂贵的测序芯片，polony gel芯片通过DNA芯片上的“活字印刷术”——DNA簇的重复印刷，将制造成本降低到了上述两种芯片的1/500-1/2000。与此同时，通过限制转录模板在芯片表面的扩散，polony gel芯片有效提高了空间分辨率。

DNA芯片是一种重要的基因组学工具，应用范围涵盖高通量基因检测、DNA合成、以及新兴的空间组学等众多领域。广泛使用的DNA芯片由高密度的DNA点阵构成，点阵中的每一个点对应一簇序列特定的DNA分子。这类DNA阵列通常被固定在玻璃表面，作为分子探针分析复杂的生物样品。点阵单元的大小通常决定了DNA芯片的分析通量。点阵单元之于DNA芯片类似像素之于图片，越小、越密集的点阵单元可以提供更高的空间分辨率，实现对各种生物组织进行单细胞甚至亚细胞分辨率级别的核酸和蛋白的原位捕获与测序。

如上文所述，高分辨率DNA芯片的一个重要用途是单细胞空间组学。那么什么是单细胞空间组学呢？举例来说：当前生物医学领域一个重大的工程是绘制人体组织的三维细胞图谱，其目的是分析每一种器官组织是由哪些类型的细胞按照怎样的空间排布构成的。绘制这个细胞图谱需要回答两个基本问题：1）器官组织内的每个细胞属于什么类型，表达哪些特异的基因与蛋白；2）每个不同的细胞在组织内怎么空间排布的。单细胞空间组学技术就是能同时回答这两个问题，用来绘制三维细胞图谱分子表达的强大工具。它能够直接在形态完整的组织切片上，对细胞内成千上万种核酸和蛋白进行定量分析，确定这些细胞的细胞类型，以及它们是否处于特殊的细胞功能状态。除了绘制细胞图谱，单细胞空间组学技术还可以系统分析特定组织、特定功能、特定位置的每一种细胞可能发生的病理变化、以及其对药物的反应。所以该技术可以用于精准诊断各类疾病的发病机理，及指导设计有效的治疗方法。

空间组学要实现可靠的单细胞分辨率首先需要DNA芯片的点阵单元足够小。人体的组织一般是由形状不规则，直径10微米到100微米不等的细胞连接在一起的三维结构。要准确描绘出细胞的形状与细胞之间的边界，点阵单元需要小于细胞的大小：直径要～1微米甚至小于1微米。其次，DNA芯片上的探针在捕获转录模板分子时需要控制芯片表面的模板扩散。在玻璃或者硬质固体表面，即使用化学固定后的组织，模板分子的扩散通常也会高达几微米，严重影响空间分辨率。

该研究表明polony gel芯片可以很好地满足上述两点要求：与因美纳以及华大基因的测序芯片上非连续分布的点阵不同，polony gel芯片的点阵由连续且均匀分布、平均直径约为1微米的DNA簇构成。正如图像的像素最好是连续无间隔一样，连续的DNA点阵更适合观测连续完整的生物组织结构。与其它芯片相比，polony gel芯片的聚丙烯酰胺胶基底可以把模板的扩散控制在小于1微米的范围内，防止了细胞之间转录模板的扩散，进一步提高了空间组学的分辨率，基本达到了单细胞水平。

当前各类单细胞空间组学技术以及相应DNA芯片的成本仍然很高，不利于该技术的推广。古良才团队计划将polony gel芯片印刷技术运用于芯片的大规模量产，应用到更多领域。他们相信芯片的印刷技术不仅能极大降低芯片的生产成本，还将能大规模应用于当前挑战性比较强的研究领域，比如单细胞、亚细胞空间多组学。该技术不仅将改变生物空间组学，还会推进DNA芯片在其他研究领域中的更广泛应用。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.10.021