Xenium空间单细胞转录组

|   Xenium技术原理

Xenium技术建立在一种基于挂锁探针的原位杂交（ISH）​​方法之上，通过多重循环化学实现了前所未有的高通量。

第一步：探针杂交。探针两端的两个结合序列和靶标分子稳定的结合。每个探针上含有一段基因特异的barcode序列，用于和后续的荧光探针结合，从而生成每个转录本的唯一光学信号；

第二步，清洗除去未结合的探针；

第三步：连接酶加入进行探针连接反应。只有当探针的两个结合序列稳定地与靶标杂交并完美匹配时，才会发生近端探针连接。

第四步：连接产物进行滚环扩增。数以百计的基因特异barcode序列被产生。

样品中的扩增产物经过连续的荧光探针杂交、成像和去除。生成每个基因特定的光学信号特征，从而能够识别目标基因。目标基因的识别通过Xenium密码本中的密码子进行解码。Xenium密码本包含一组密码字，这些密码字被分配给给定检测panel中的基因。每一个密码子对应于多轮成像采集的荧光信号表达模式。

|   Xenium检测流程

Xenium的检测流程包括：

样本制备；探针杂交、连接和扩增；多重蛋白染色（用于细胞分割）；载玻片载入Xenium分析仪中进行荧光探针的杂交、成像和去除，以及信号解码识别目标基因；最后数据分析。

Xenium检测的样本类型包括新鲜冰冻切片（FF）和甲醛固定石蜡包埋切片（FFPE）。组织切片需要贴于Xenium专用载玻片，并且不能超过Xenium最大成像区域（10.45 mm X 22.45 mm）。在进行探针杂交之前，FF样本需要预通透处理，FFPE样本需要脱蜡和解交联处理。

Xenium采用预混的多组织染色试剂进行探针杂交后的多重染色，进行细胞分割。多组织染色试剂包含了用于标记细胞核的DAPI，通用的细胞内核糖体RNA的标记试剂，还有标记细胞膜和细胞内蛋白的抗体。

|   Xenium检测基因panel

Xenium目前可以实现最大5000个基因的检测，适用于人和小鼠，并且可增加多达100个定制基因。Xenium还有9种包含250-380个基因的即用型panel，适用于人和小鼠。Xenium还可以实现高度的定制化检测，可实现全部基因的定制化检测（<500个基因）。

Xenium平台通过预设计+自定义的灵活组合，以及超高分辨率空间分析，为肿瘤学、免疫学、神经科学等领域提供了强大的单细胞空间分子图谱解决方案。

|   Xenium应用案例

案例一、Xenium深度解析食管鳞状细胞癌空间演化图谱

食管鳞状细胞癌(ESCC)的发生发展涉及复杂的细胞演化与微环境重塑。这项发表在《Cancer Cell》上的研究通过整合scRNA-seq和Xenium空间转录组技术，首次在单细胞分辨率下绘制了ESCC从正常组织到癌前病变再到恶性肿瘤的全过程空间演化图谱。

研究收集了43例患者的多阶段组织样本(正常、低级别癌前病变、高级别癌前病变、ESCC)。Xenium分析127个FOV中640万个细胞，检测了大约300多个基因。Xenium分析发现了4种不同上皮细胞亚型的动态变化，揭示了癌症相关成纤维细胞和上皮细胞互作邻域生态位在疾病进展中的关键作用。Xenium发现了CAF-Epi生态位通过多重机制促进免疫逃逸，包括致密的ECM沉积形成"免疫排斥区"，形成物理屏障​；增加Tregs和SPP1+巨噬细胞，形成细胞抑制生态​；降低CD8+ T细胞浸润和活性，导致免疫细胞​功能耗竭​。研究发现上皮细胞的功能状态与其空间位置密切相关，靠近CAFs的上皮细胞表现出更强的增殖和去分化特征，距离梯度分析显示了JAG1-NOTCH1信号强度与CAF活化具有显著相关性。

案例二、Xenium联合PCF空间单细胞蛋白组解析淋巴瘤的肿瘤免疫微环境

这篇发表在《Cancer Cell》上的文章聚焦于滤泡性淋巴瘤(FL)中滤泡T细胞亚群的异质性及其在疾病进展和预后中的作用。研究首先通过scRNA-seq分析，在FL中鉴定出三种显著扩张的非Tfh滤泡T细胞亚群：滤泡调节性T细胞(TFR)​​，滤泡细胞毒性CD4 T细胞(TFC4)​​和滤泡细胞毒性CD8 T细胞(TFC8)​​。之后通过Xenium和PCF空间单细胞蛋白组深度解析了这些T细胞亚型和肿瘤细胞的空间关系。

该研究采用Xenium对12例FL样本进行了高分辨率空间转录组分析。Xenium检测了人的5000个基因panel和100个定制基因。Xenium数据首先证实了scRNA-seq发现的三种非Tfh滤泡T细胞亚群的存在：TFR细胞​表达FOXP3、IL2RA等Treg标志物和CXCR5、PDCD1等Tfh相关基因，TFC4细胞​表达CD4、GZMK、GZMM等细胞毒性基因，TFC8细胞​高表达细胞毒性基因和干细胞样标志物TCF7。空间距离分析发现了TFR细胞与肿瘤性滤泡的距离最近，TFC细胞位于中间距离范围，而传统Treg和Tct细胞距离肿瘤性滤泡最远。结合单细胞和空间数据，研究发现了CXCL13-CXCR5轴​介导TFR和Tfh细胞向滤泡中心募集，CCL19/CCL21-CCR7轴​引导TFC细胞向T-B边界迁移，IL-21信号网络​在TFR、Tfh和TFC细胞间形成自维持环路。

|   相关文献

1.Gasek NS, Yan P, Zhu J, et al. Clearance of p21 highly expressing senescent cells accelerates cutaneous wound healing. Nat Aging. 2025;5(1):21-27.

2.Chen S, Liu R, Mo CK, et al. Multi-omic and spatial analysis of mouse kidneys highlights sex-specific differences in gene regulation across the lifespan. Nat Genet. 2025;57(5):1213-1227.

3.Ma D, Dai LJ, Wu XR, et al. Spatial determinants of antibody-drug conjugate SHR-A1811 efficacy in neoadjuvant treatment for HER2-positive breast cancer. Cancer Cell. 2025;43(6):1061-1075.e7.

4.Chang J, Lu J, Liu Q, Xiang T, Zhang S, Yi Y et al. Single-cell multi-stage spatial evolutional map of esophageal carcinogenesis. Cancer Cell. 2025;43(3):380-397.e7.

5.Son HG, Ha DT, Xia Y, Li T, Blandin J, Oka T et al. Commensal papillomavirus immunity preserves the homeostasis of highly mutated normal skin. Cancer Cell. 2025;43(1):36-48.e10.

6.To K, Fei L, Pett JP, Roberts K, Blain R, Polański K et al. A multi-omic atlas of human embryonic skeletal development. Nature. 2024;635(8039):657-667.