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前沿空间组学技术系统比对

前沿空间组学技术系统比对

【概要描述】空间组学技术可以更深入地了解组织内的细胞组织和相互作用。空间原位的分析可以识别组织中具有差异RNA或蛋白丰度的特定区域,描绘它们的互作关系。 特别是最近很多正在开发或者商品化的空间分析技术已经被用来深度解析肺癌、乳腺癌等肿瘤免疫微环境。但是,这些技术在空间分辨率、检测通量和覆盖范围方面有所不同,适用于不同的研究需求。

前沿空间组学技术系统比对

【概要描述】空间组学技术可以更深入地了解组织内的细胞组织和相互作用。空间原位的分析可以识别组织中具有差异RNA或蛋白丰度的特定区域,描绘它们的互作关系。 特别是最近很多正在开发或者商品化的空间分析技术已经被用来深度解析肺癌、乳腺癌等肿瘤免疫微环境。但是,这些技术在空间分辨率、检测通量和覆盖范围方面有所不同,适用于不同的研究需求。

  • 分类:华盈视角
  • 作者:瑞瑞
  • 来源:
  • 发布时间:2023-07-12 12:25
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空间组学技术可以更深入地了解组织内的细胞组织和相互作用。空间原位的分析可以识别组织中具有差异RNA或蛋白丰度的特定区域,描绘它们的互作关系。 特别是最近很多正在开发或者商品化的空间分析技术已经被用来深度解析肺癌、乳腺癌等肿瘤免疫微环境。但是,这些技术在空间分辨率、检测通量和覆盖范围方面有所不同,适用于不同的研究需求。

 

空间转录组技术比较

 

首先是空间上检测RNA的表达水平,鉴定基因表达异质性的区域。虽然有些空间RNA分析技术已经达到了单细胞甚至亚细胞分辨率,但是目前广泛应用的商品化的空间RNA检测技术需要结合单细胞转录组数据,才能解开细胞类型的区域化和共定位模式。发表在Nature Reviews Genetics上的一篇综述文章将目前的空间RNA分析技术总结为两大类型:固相转录组捕获技术(Solid-phase transcriptome capture technologies)和确定性空间条形码技术(Deterministic spatial barcoding technologies)。

固相转录组捕获技术从多细胞捕获已经发展到亚细胞分辨率的检测水平,例如Stereo-seq技术。但目前应用广泛,最具代表性的还是已经商品化的10X公司的Visium平台。Visium可以检测大约5000个直径55μm的spots,依据细胞类型每个spot 可能含有1-10细胞不等,因此在定义具体细胞类型的区域定位时,一般需要结合单细胞转录组得到的基因表达信号。

这种固相转录组捕获技术是利用预先设计的索引探针捕获样本中的RNA进行后续测序,例如Visium可以对6.5mm x 6.5mm的组织切片进行转录组测序分析,得到网格非连续的整片数据。

图1 固相转录组捕获技术

 

确定性空间条形码技术有别于上述的方法,这种技术可以灵活地对组织中感兴趣的区域(ROI)进行分析。所以这种分析之前一般需要病理学家预先通过免疫染色的方法确定组织中的ROI,也就是ROI区域中的细胞类型是比较明确的情况下,通过空间转录组解析这群细胞中的基因表达情况。这种技术依赖于带有标签的探针原位结合细胞内的RNA。例如NanoString公司的GeoMX DSP平台可以对直径为50-600μm的ROI进行靶向检测大约18000个基因。RNA杂交探针带有的标签通过UV裂解下来,后续对这些标签进行测序定量分析。

 

图2 确定性空间条形码技术

 

另外还有基于荧光原位杂交的空间转录组成像分析技术,例如Vizgen公司的MERFISH平台和Spatial Genomics公司的seqFISH平台,检测通量都达到了10000个基因,并且空间分辨率都在100nm的亚细胞水平。

图3 基于成像的空间转录组分析技术

 

空间单细胞蛋白组技术比较

 

虽然空间转录组对细胞类型和他们的基因表达模式提供了详细的信息,但是RNA和蛋白表达的一致性并不高,很难推测蛋白表达变化。另外一些丰度低的RNA很难通过转录组测序检测到,而它们对应的蛋白比较稳定。因此,对细胞类型的空间定位的识别和功能性的检测更需要空间蛋白组学,尤其是空间单细胞蛋白组学技术的加持。

目前的空间单细胞蛋白组技术大体也可以分为两类:一类是基于质量标签通过质谱检测,另外一类是通过循环荧光染色检测。

 

1)基于质谱的空间单细胞蛋白组技术

 

成像质谱流式(IMC)和多重离子束成像(MIBI)都是基于带有稀有金属标签的抗体进行检测,不同的是IMC可以通过对特定区域的1μm的大小进行激光消融,雾化的金属标签离子进入质谱仪进行检测,而MIBI是通过初级离子束对样品轰击,对金属标签产生的二级离子束进检测,分辨率要高于IMC,可以到250nm。这种技术可以很好的规避光谱串色的问题,减少样本背景。然而考虑检测的成本和时间,两种技术检测的组织范围有限,大约在0.8mm2-1mm2, 也就是也需要提前规定好ROI进行检测。

图4  IMC成像质谱流式平台

 

2)基于循环荧光染色的空间单细胞蛋白组技术

 

另外一种技术空间单细胞蛋白组技术是利用寡核苷酸标签标记抗体,所有检测抗体一次性全部加入,循环检测时只是把与标签互补的探针洗脱,这样就避免了反复抗体剥离带来的对抗原本身以及组织切片的损害。这种技术目前应用非常广泛,已经商品化的最具代表性的就是Akoya公司的PhenoCycler空间单细胞蛋白组平台(原名CODEX)。

图5 Akoya空间单细胞蛋白组CODEX平台

 

PhenoCycler空间单细胞蛋白组技术有别于IMC等技术的优势还在于其可以实现整片扫描,最大成像面积可以达到18mm x 35mm。同样可实现单细胞的分辨率(250nm)。应用PhenoCycler空间单细胞蛋白组平台发表的研究文章频繁出现在Cell、Nature和Science的等国际顶级期刊上。借助Akoya公司的PhenoCycler强大的空间单细胞超多重成像技术,将帮助国内研究者更好的进行空间生物学的探索。

 

随着生物技术的不断发展和迭代,生物医学研究已经逐步进入到空间组学时代,在空间位置上对单个细胞的分类学以及功能状态进行评估已成为趋势。华盈生物紧跟科学最前沿,打造了PhenoCycler多重荧光染色IMC成像质谱流式两套空间单细胞技术体系,为国内科学家从蛋白质层面对组织形态和细胞亚群进行再分类和精细化研究提供助力。

 

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