01
从「单细胞」到「空间时代」
技术演进的下一个十年
过去十年,单细胞测序技术彻底改变了生命科学的研究范式。我们第一次能够以高通量的方式解析组织中「有哪些细胞」、「它们在表达什么基因」。然而,一个根本性的问题始终悬而未决:这些细胞在组织中的「坐标」是什么?它们和谁做邻居?它们在原位如何通讯?
组织不是悬浮液。肿瘤微环境中,一个 CD8⁺ T 细胞是否真正接触肿瘤细胞,决定了它能否发挥杀伤功能;疫苗诱导的免疫记忆细胞是否定位在气道周围,决定了它能否在病原入侵的第一时间响应。没有空间位置信息,单细胞数据就像一份没有地址的通讯录——你知道谁在,却不知道他们在哪、和谁在一起。
这正是空间组学技术迅速崛起的根本驱动力。2022 年,Nature 将「空间多组学」评为年度技术。然而,如何在单细胞分辨率下,同时获取基因表达、表观调控、免疫克隆型等多维信息,始终是领域内最具挑战性的技术难题。
2026 年 2 月,斯坦福大学 Bali Pulendran 团队在 Science 上发表的一项研究《Mucosal vaccination in mice provides protection fromdiverse respiratory threats》,给出了一个漂亮的解法。团队开发了一种鼻喷广谱疫苗,在小鼠模型中实现同时抵御新冠病毒、流感病毒、金黄色葡萄球菌,甚至过敏原的侵害——而它的保护机制,完全颠覆了传统疫苗依赖「特异性抗体」的逻辑[1]。
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02
从「一病一苗」到「整合器官免疫」
传统疫苗的困境:面对流感病毒的抗原漂移、新冠病毒的不断变异,抗体导向的疫苗往往刚上市就面临「免疫逃逸」的尴尬。Pulendran 团队另辟蹊径,转向激活先天免疫——这套免疫系统是亿万年进化留下的「第一道防线」,不挑剔病原体,反应速度以小时计。
解决策略:研究团队设计了一种名为 GLA-3M-052-LS+OVA 的鼻内喷雾疫苗。其核心机制在于「双重激活」策略。两个免疫激动剂GLA(TLR4 激动剂)和 3M-052-LS (TLR7/8 激动剂),搭配一个通用模型抗原卵清蛋白(OVA)。其保护作用不是依赖于针对特定病原体的抗体,而是主要通过肺泡巨噬细胞(AM)
工作原理:疫苗中的 TLR 激动剂,能直接刺激肺部先天免疫细胞;而 OVA 抗原将 T 细胞招募到肺部,这些抗原特异性 CD4⁺ 和 CD8⁺ 记忆 T 细胞持续向先天免疫细胞发送信号,让本应仅活化几天的先天免疫维持数月激活状态。
关键免疫机制 1:T 细胞-RANKL 通路介导保护效应
研究发现,清除 CD4⁺ 和 CD8⁺T 细胞可完全消除疫苗的保护作用。进一步机制解析显示,T 细胞分泌的 RANKL 是疫苗诱导保护所必需的关键分子——持续阻断 RANKL 会完全消除疫苗对 SARS-CoV-2 和金黄色葡萄球菌感染的保护效果;而抑制 CD40L、IFN-γ 或 TNF-α 信号通路则不影响保护。
关键免疫机制 2:肺泡巨噬细胞(AM)是核心效应细胞
通过 scRNA-seq 对 119,876 个肺细胞分析发现,疫苗接种后 21 天,肺泡巨噬细胞中抗原呈递通路持续富集,相关基因(H2-D1、H2-K1、H2-Aa 等)表达水平至少维持 3 个月。scATAC-seq 进一步揭示,与抗原呈递基因 H2-Aa、干扰素刺激基因 Ccl5 等相关的染色质位点,在疫苗接种后至少 3 个月内在 AM 中保持可及性。
关键免疫机制 3:诱导三级淋巴结构(TLS)形成
感染后 3 天,疫苗组的肺组织出现类似淋巴结的 T/B 细胞分区,即三级淋巴结构。未接种疫苗的对照组在感染后第 3 天未显示这些 TLS 特征。
03
空间组学
揭开疫苗诱导免疫图谱的关键钥匙
在这项研究中,一个核心问题始终贯穿始终:疫苗如何在三维肺组织中构建持久、广谱的免疫防御?
传统单细胞测序能解析细胞类型和分子特征,却无法确认细胞在组织中的空间位置信息。而研究团队发现,疫苗诱导的保护效应与细胞的空间排布密切相关——T 细胞是否定位在气道周围、肺泡巨噬细胞是否与上皮细胞形成通讯网络、三级淋巴结构是否出现在关键哨位,这些问题的答案都依赖于空间维度的信息。
这正是具有单细胞分辨率的空间转录组学技术——Trekker,大显身手的舞台。(点此或文末获取更多 Trekker 信息及技术支持)
研究团队对 53,645 个空间解析的细胞核使用 Trekker 试剂盒进行了单细胞空间转录组分析,通过 UMAP 揭示了多样的细胞群,包括肺泡上皮细胞、AM、间质巨噬细胞(IM)、DC、T 细胞和 B 淋巴细胞。Trekker 技术的加入,让研究在空间原位完成了对肺组织免疫生态系统的多维度解析:
数据解析 1:空间聚类与细胞图谱
通过 Trekker 获得的空间聚类图(对应文献 Fig. 3C)清晰展示了疫苗接种组、未接种组以及 T 细胞耗竭组在组织结构和细胞组成上的显著差异。接种疫苗的小鼠肺中表现出显著的空间重构(对应文献 Fig. 3D)。
数据解析 2:细胞间通讯网络可视化
整合空间定位和配体-受体表达值分析显示,疫苗接种后肺部的细胞间相互作用整体增强(对应文献 Fig. 3F)。T 细胞-B 细胞和 T 细胞-先天免疫细胞间的通讯增强,以及 AM 与肺泡上皮细胞(ATI 和 ATII)之间的信号传导加强,而在 T 细胞耗竭小鼠中这些信号均被削弱。
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文献 Fig.3
数据解析 3:三级淋巴结构的空间定位
多重空间蛋白成像显示,TLS 富集区主要定位于气道周围(对应文献 Fig. 5D-E),提示疫苗接种使肺组织在感染时能够快速且有结构地参与免疫应答。免疫组化进一步显示 TLS 与 SARS-CoV-2 N 蛋白共定位。
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文献 Fig.5
04
Trekker 技术流程
一张芯片、两步操作、三套数据
Trekker 技术的突破性在于将空间定位与单细胞多组学完美整合,其工作流程分为三个核心步骤:
第一步:贴标签——每个细胞核拿到自己的「坐标身份证」
Trekker 的核心耗材是一张特制的芯片(tile),上面铺满了数百万个位置唯一的 DNA 条形码。每个条形码对应芯片上的一个精确坐标(比如第 3 行第 5 列)。
操作很简单:将新鲜冷冻组织切片(厚度 10~25 μm)贴在芯片上,然后紫外光照射。光触发后,每个细胞核会「抓取」到它所在位置的那个条形码——相当于每个细胞核都被打上了它自己的空间坐标标签。
第二步:建库——直接上常规单细胞平台
贴好标签的细胞核从芯片上收集下来,这时候它们已经带着「空间坐标」了。接下来,直接用标准的单细胞测序建库流程进行后续操作——逆转录、cDNA 扩增、文库构建,和做普通单细胞测序一模一样。
唯一的区别是:每个细胞核的 cDNA 上,已经同时携带了基因表达信息和空间坐标条形码,这从根本上确保了数据的单细胞分辨率。
第三步:解码——测序后「按图索骥」
测序完成后,通过生物信息学分析,根据每个 read 上的空间条形码,就能反推出它原本来自组织切片上的哪个位置。于是,研究者得到的是一个带坐标的基因表达矩阵——知道每个细胞核在组织中的 XY 坐标,也知道它的全转录组表达谱。
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正如研究团队在论文中展示的,通过 Trekker 获得的整合数据集,他们不仅验证了肺泡巨噬细胞的表观遗传重塑,还定量解析了 T 细胞-AM 互作的空间强度,更直观展示了三级淋巴结构的形成位置。所有这些发现都基于同一份样本、同一套空间坐标系统。
05
从「看细胞」到「看生态」
Trekker 如何最大化样本价值
以下是一个在肿瘤免疫中的典型案例:
案例:snRNA-Seq+ snV(D)J,追踪 B 细胞克隆的「空间足迹」
免疫细胞克隆的扩增与分布,是理解肿瘤免疫应答的核心问题。研究团队对 25 μm 厚的人原发性乳腺癌组织切片,完成对其中 10,671 个细胞核的空间定位与细胞注释。并分别将其映射至 UMAP 图谱(图 A)和空间图谱(图 B)。
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关键突破:
数据显示,该技术的检测效率优异(图 C):BCR 平均每个细胞核有效读数达 372.4,TCR 达 332.5;39.6% 的 B 细胞能检测到重链 CDR3,52.4% 的 B 细胞能检测到轻链 CDR3,T 细胞中也有 7.6% 和 14.2% 分别检测到重链、轻链 CDR3。
清晰绘制出了不同 B 细胞克隆的空间分布图谱(图 E)。Top8 的 BCR 重链 CDR3 克隆在乳腺癌组织中呈现出显著的空间特异性 ,部分克隆集中分布在肿瘤边缘区域,部分则在肿瘤内部形成聚集区(图 F)。而相邻组织切片的 H & E 染色(图 D)进一步验证了这些克隆分布与病理结构的关联性。
这一结果首次直观揭示了乳腺癌微环境中 B 细胞克隆的空间扩散规律:免疫克隆的扩增并非随机分布,而是与肿瘤组织的病理分区、细胞邻域密切相关,为理解肿瘤相关性 B 细胞的功能分工(如抗体分泌、抗原呈递)提供了关键的空间线索。
Science 这项研究标志着呼吸道疫苗开发进入「整合器官免疫」新时代,而Trekker 技术在其中扮演了「地图绘制者」的关键角色。如果您正在探索肿瘤免疫、疫苗机制或发育生物学等中的空间转录组学问题,希望从有限珍贵样本中获得更全局、更深刻的洞察,Trekker 单细胞空间组学解决方案或许能成为您下一个突破性发现的加速器。
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内容策划:王丹琦
内容审核:朱卿
题图来源:图虫创意
参考文献
[1]. Zhang H, Floyd K, Fang Z, et al. Mucosal vaccination in mice provides protection from diverse respiratory threats[J]. Science, 2026: eaea1260.
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