CosMx SMI實現(xiàn)全轉錄組18000+基因檢測
單細胞分析技術顯著提升了對生物系統(tǒng)的理解，揭示了組織結構、病理變化和治療響應中的細胞異質性，彌補了傳統(tǒng)轉錄組中因信號平均化而掩蓋復雜性的不足。單細胞RNA分析包括測序和成像兩種方法，前者可全面捕獲基因表達譜，但需解離組織，導致細胞環(huán)境破壞及空間信息丟失；后者通過熒光標記實現(xiàn)亞細胞級定位，可保留空間信息，但多重檢測能力有限，難以覆蓋全轉錄組。近年來，空間轉錄組學技術結合了空間信息與高通量能力，雖彌補部分不足，但在基因定位和單細胞邊界劃分方面仍存挑戰(zhàn)
為此，CosMx Whole Transcriptome（WTx）技術孕育而生，可在CosMx空間分子成像儀（SMI）上以單分子分辨率檢測18,936種人類編碼基因，實現(xiàn)了轉錄組深度與空間信息的結合，并顯著提升了多重檢測能力。這項技術在多種復雜樣本中驗證有效，包括難以處理的FFPE組織。CosMx WTx為在完整組織環(huán)境中研究細胞行為提供了高通量、分辨率和性價比，開辟了生物發(fā)現(xiàn)與治療干預的新途徑。
01 CosMx WTx檢測在人體FFPE組織樣本中的性能表現(xiàn)
為評估CosMx WTx檢測在人體FFPE組織樣本中的性能，研究分析了結腸、胰腺、皮膚、腎臟、乳腺、大腦6種不同組織類型的5 µm FFPE切片，平均面積為99.99 ± 13.84 mm²，生成了每個組織中平均450,109 ± 154,610個帶空間信息的單細胞。
通過核、細胞體和細胞膜的標記物進行細胞分割，如胰腺細胞的平均大小為71.99 µm²，而海馬區(qū)細胞為167.76 µm²，符合組織特定細胞大小的常規(guī)認知。6種組織中檢測到的基因數(shù)在8,392到15,960之間，其中6,647個基因在所有組織中均被檢測到，而每種組織中有106到843個基因為特異性表達。每個細胞中檢測到的轉錄本中位數(shù)為1,556（各組織范圍為965-2,248），基因的中位數(shù)為905（范圍為627-1,252）。總體而言，WTx能夠在各種人體FFPE組織中以單細胞分辨率捕獲1 cm x 1 cm區(qū)域內的基因表達。
單細胞區(qū)域的全轉錄組數(shù)據(jù)
02 空間全轉錄組技術與單細胞RNA測序的對比測試
為比較CosMx WTx檢測與scRNA-seq的性能，研究分析了同一FFPE結直腸癌組織塊的相鄰切片。Flex scRNA-seq處理兩卷25 μm厚切片后，最終生成6,257個細胞的數(shù)據(jù)集，而CosMx WTx用一張5 μm切片成功分割了493,929個細胞，解析細胞總數(shù)顯著高于前者。CosMx WTx檢測的轉錄本數(shù)量和基因分布更加均勻，優(yōu)于scRNA-seq因潛在的多細胞捕獲導致的分析混淆及檢測效率。此外，CosMx WTx準確反映了組織細胞組成，而scRNA-seq因解離過程中難以處理密集或不規(guī)則細胞，導致某些細胞類型缺失。總體而言，CosMx WTx在單細胞解析和細胞組成保真度上具有顯著優(yōu)勢。
CosMx WTx與單細胞RNA測序在FFPE結腸癌組織中的性能比較
03 CosMx WTx在培養(yǎng)細胞中的應用
為在培養(yǎng)細胞中應用CosMx WTx全轉錄組檢測，研究采用了一種優(yōu)化的樣本制備方案，省略了熱誘導回收步驟，并用溫和的GluC蛋白酶替代了非選擇性的蛋白酶K降解。研究發(fā)現(xiàn)，CosMx WTx在培養(yǎng)細胞中的表現(xiàn)優(yōu)于FFPE組織，檢測到的轉錄本數(shù)量明顯更多，這可能與RNA質量較高、細胞內交聯(lián)較少及高對比度的形態(tài)染色有關。例如，在HEK293T、SH-SY5Y和U2OS細胞系中，每個細胞分別檢測到5,849、1,866和7,294個轉錄本。CosMx WTx還能夠精準地進行細胞聚類和類型劃分，每個細胞系在UMAP空間中呈現(xiàn)出明顯的差異，并且通過特異性的轉錄組特征對每個細胞系進行準確注釋。CosMx WTx顯著提高了單細胞轉錄本定位的數(shù)據(jù)密度。為處理數(shù)百萬個細胞和數(shù)十億個轉錄本，CosMx SMI將數(shù)據(jù)實時傳輸至基于云的AtoMx空間信息平臺（SIP），該平臺能自動擴展CPU、GPU和內存，以處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集。
CosMx WTx在培養(yǎng)細胞中的性能
04 CosMx WTx檢測在結直腸癌中的應用
為了展示CosMx WTx檢測的細胞分辨率、靈敏度和空間分析能力，研究分析了結腸腺癌FFPE切片的493,834個細胞。通過對414,005個通過質量控制的細胞進行細胞類型分析，利用PROGENy數(shù)據(jù)庫和LIANA+ Python包，研究發(fā)現(xiàn)腫瘤巢內存在EGFR、TGF-beta和VEGF通路的富集。同時，TNF相關的TRAIL通路減弱，表明腫瘤表現(xiàn)出侵襲性特征。此外，腫瘤邊緣的MAPK通路富集也進一步表明腫瘤的侵襲性。在腫瘤內部，通過局部配體-受體分析發(fā)現(xiàn)細胞粘附、遷移和增殖方面存在空間限制差異。整體來看，腫瘤的不同區(qū)域表現(xiàn)出不同的通訊模式和微環(huán)境特征。
結腸癌腫瘤內的空間異質性
總結與展望
CosMx WTx全轉錄組檢測是空間轉錄組學領域的重要里程碑，通過原位成像方式即可實現(xiàn)全面的全轉錄組覆蓋和單細胞分辨率。這項研究展示了可擴展的無酶雜交條形碼技術，結合寬視場光學、低容量微流控技術、抗體標記的細胞形態(tài)識別以及自適應計算算法，提供了超高單細胞靈敏度和單細胞空間精度，具有潛在的變革性價值，為生物醫(yī)學研究和診斷提供了新工具。
以下是CosMx WTx的主要特性和應用：
1) 高分辨率、高通量數(shù)據(jù)輸出
2) 自適應解碼算法提升數(shù)據(jù)質量
3) FFPE樣品中細胞和轉錄本檢出率顯著提高
4) 廣泛適用于各種組織類型
5) 轉錄本檢測具有高動態(tài)范圍
6) 完整覆蓋空間解析途徑及配體-受體分析
7) 基于云的數(shù)據(jù)存儲、處理與共享
CosMx WTx測定重新定義了單細胞和空間轉錄組學的邊界，解決了現(xiàn)有技術的局限，真正意義上實現(xiàn)了全基因組的單細胞空間研究需求，預計 2025 年可投入使用。未來，它有可能擴展至多組學分析，結合蛋白質及其他生物分子標記，以更全面地揭示細胞狀態(tài)和組織結構。這一平臺不僅將提升當前的研究水平，還將推動新發(fā)現(xiàn)和轉化應用，設立單細胞和空間分析的新標準。
