科技 | 赵方庆团队开发高通量三维空间转录组新技术

2024年9月10日，中国科学院动物研究所赵方庆团队在 Nature Genetics 期刊发表了题为：Custom microfluidic chip design enables cost-effective three-dimensional spatiotemporal transcriptomics with a wide field of view 的研究成果。

该研究结合了先进的网格化微流控设计、碳二亚胺化学和空间组合标签，开发了一种全新的空间芯片预制技术——MAGIC-seq。

赵方庆研究表示，相比现有技术，MAGIC-seq显著提升了检测通量，大幅降低了芯片成本和批次效应，同时兼顾了高分辨率和大面积捕获区域，为大规模和复杂组织研究提供了新的可能性。

单组合，多点标记

近年来，空间转录组学作为一种能够在组织原位解析基因表达的技术，在揭示组织细胞组成、空间异质性和复杂的细胞间互作关系方面发挥了重要作用，正逐渐成为胚胎发育、神经科学、疾病发生等研究方向的有力工具。然而，现有的空间转录组学技术仍然面临如成本高、视野有限、通量低等瓶颈，严重影响了其在大规模组织研究和复杂生物过程分析中的应用，尤其是在构建三维及多时空全转录组图谱方面的限制更为明显。

论文共同第一作者、中国科学院动物研究所博士后朱俊杰表示，常规基于测序的空间转录组技术为获取空间位置信息，要么依赖复杂昂贵的解码过程，要么通过精密液体工作站进行定位，而且通常采用“单点，单标记”的策略，即每个捕获点通常需要独立的条形码，如需处理多个样品或者增大捕获面积，其时间和成本也会成比例提升。DBiT-seq和Decoder-seq等基于微流控的方法通过组合标签的方式提高了编码效率，但通量仍较低，而且难以在保持高分辨率的同时覆盖较大的组织区域。

针对这些痛点，MAGIC-seq采用独特的网格化微流控芯片设计，优化空间编码策略，通过多次交叉反应形成“单组合，多点标记”的布局，在保证高灵敏度的前提下，显著提高了检测通量并降低芯片制备成本，使空间转录组学研究变得更加经济可行。同时，修饰的高度一致性和通量的提升降低了不同样本间的批次效应，这在处理大量样本的同时能保证定量的准确性。

拼接芯片

在空间转录组学研究中，如何在扩大视野的同时保持高分辨率一直是一个难题。通常情况下，扩大视野往往以牺牲分辨率为代价，但这对研究复杂生物过程、尤其是器官发育的动态变化，带来了巨大的挑战。

为此，MAGIC-seq提出了“拼接芯片”的概念，即通过调整网格间距和多轮编码的方式将多个捕获网格拼接在一起，突破了传统微流控方法的通道限制，实现了高分辨率与大视野的兼顾。这种扩展能力不仅提高了实验的灵活性，也为大规模组织研究提供了更广阔的探索空间。值得注意的是，MAGIC-seq并不局限于特定布局，研究人员可以根据不同样本的形状和数量，自定义网格的布局，以优化通量或拼接芯片的形状，从而更好地利用空间信息。

MAGIC-seq能够对多种组织类型进行灵敏、高通量、一致的空间检测

为了验证MAGIC-seq的稳健性和应用广泛性，研究团队在包括小鼠大脑、小脑、心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏等多种组织中进行了检测，并与10x Visium平台和其他方法进行了比较。

结果显示，MAGIC-seq在检测灵敏度、测序效率和数据一致性方面表现出明显的优势。随后，研究团队利用拼接芯片在高分辨率下对从胚胎期到出生后不同发育阶段的小鼠整体切片进行了精细描绘，成功捕捉到不同器官结构逐步形成的过程，以及各发育阶段基因空间表达的变化，进一步鉴定了影响小脑发育轨迹的关键基因和通路。

此外，研究团队还对发育中的小鼠大脑进行了系统性分析，通过数百张H&E染色切片和近百张基因表达样本，成功构建了一个高质量的三维空间转录组图谱，充分验证了方法的稳健性。这一图谱不仅展示了小鼠大脑在发育过程中细胞和分子的空间分布，还揭示了组织在不同发育阶段的动态变化。这种多组织、大规模且兼顾分辨率与视野的高效检测能力，使MAGIC-seq在广泛的生物学研究中具有巨大的应用潜力，并为深入理解复杂生物过程的分子机制提供了宝贵的数据和工具支持。

赵方庆研究员表示，MAGIC-seq以其创新和灵活的设计，以及显著的技术优势，重塑了空间转录组学的技术框架。随着技术的进一步优化，MAGIC-seq有望成为推动空间转录组学研究和应用的重要工具，并在更广泛的研究领域中发挥重要作用。

来源：生物世界

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