空间组学技术是近年的科研热点，继2020年被Nature Methods评为年度技术方法之后，在2022年再次被Nature 评为值得关注的七大年度技术之一，其以强大的原位、高通量和精准的空间遗传表达信息表征能力逐渐“引爆”生命科学界。

华大生命科学研究院作为领域的主要推动者之一，在 2021 年年初，发布了自主研发的时空组学技术Stereo-seq。 该技术是具有高通量、高分辨率、大视场的原位全景式技术，可以实现同一样本在组织、细胞、亚细胞、分子“四尺度”同时进行空间转录组分析。

     一、 技术原理

Stereo-seq技术通过时空芯片捕获组织中的mRNA，并通过时空条形码（CoordinateID，CID）还原回空间位置，实现组织原位测序，为深入地了解细胞的基因表达及形态与局部环境之间的关系建立强大的研究基础。

Stereo-seq时空芯片（STOmics Chip）是用于mRNA定位的芯片，是基于华大自主研发的DNBSEQ测序技术研制的具有空间位置信息的、阵列式排布的DNB空间捕获芯片。时空芯片由布满了数十亿规则阵列排布的单链线球状DNB组成。DNB是以单链环状DNA为模板、经过滚环扩增（RollingCircleReplication，PCR）后得到的产物，每个DNB直径为220nm，两个DNB中心点间距为500nm。通过DNBSEQ技术对固定在芯片上的DNB进行测序，得到CoordinateID（CID）信息，CID和DNB坐标位置一一对应，可以通过建立CID与坐标位置的映射关系，将后续捕获到的mRNA还原其空间位置。对照关系保存在时空芯片CID-坐标位置对照文件（STOmicsChipMask文件）中。DNB经Stereo-seq独有的生化方法合成携带CID的DNB后链接分子编码（MolecularID，MID用于不同区分不同转录本）和ployT，从而能捕获游离的mRNA。标准Stereo-seq文库的CID序列长度为25bp，MID长度为10bp。

  图 1   Stereo-seq技术原理

二、 技术优势

作为国际领先的时空技术，相较于其他基于空间条形码的高通量时空组技术，华大时空组学技术 Stereo-seq在检测组织大小及分辨率等方面具有多项突破性技术优势。

Stereo-seq 实现了 500 nm 的分辨率（单个细胞可被 400 个像素点捕获），同时捕获面积可达 13cm×13 cm，成为全球首个同时实现“纳米级分辨率”和“厘米级全景视场”的技术，且实现了基因与影像同时分析。该技术作为新时代的分子 “显微镜”，将推动继显微镜和 DNA 测序技术以来的生命科学领域第三次科技革命。

图 2 利用 Stereo-seq 技术进行小鼠脑组织空间转录组检测

Stereo-seq 配套搭建了 StereoMap 可视化系统，用户可自行登录系统进行空间数据分析及挖掘。

图 3  支持百万细胞探索分析的交互式可视化系统

三、 应用场景

Stereo-seq 技术可应用于肿瘤研究、免疫研究、发育生物学、脑神经学、病理研究等方面，目前已研发了针对人、不同动物及植物的各部位组织器官的检测方法，完成了多种动植物组织器官的研究。其中包括人的甲状腺癌、鼻咽癌、淋巴结、肺癌、脂肪肝、结肠癌、宫颈癌等组织，小鼠的全脑、迷走神经复合体、脑前额叶、肝脏、肾脏、心脏、结肠、睾丸、足垫等组织，以及大豆、果蝇、斑马鱼、蝾螈等物种。 

图 4  Stereo-seq 应用场景

2022 年 5 月 4 日，华大生命科学研究院联合多家机构，在 Cell 出版社官网以时空组学联盟（STOC）专题的形式，发布了全球首批生命时空图谱。研究人员利用华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq，首次绘制了小鼠、斑马鱼、果蝇、拟南芥四种模式生物胚胎发育或器官的时空图谱。其中，小鼠胚胎发育时空图谱成果登上 Cell 当期封面，斑马鱼、果蝇、拟南芥时空图谱相关成果登上Developmental Cell 当期封面。这是人类首次从时间和空间维度上，对生命发育过程中的基因和细胞变化过程进行超高精度解析，为认知器官结构、生命发育、人类疾病和物种演化提供全新方向。以上成果甫一发布，就被央视新闻、人民日报、新华社、GenomeWeb 等海内外媒体争相报道，引发广泛热议。

       在此次华大研究院主导发表的 Cell 专题研究中，研究人员已经成功把时空组学技术Stereo-seq应用于动物胚胎发育、植物发育、脑科学、肿瘤等多个不同领域，证明了该技术的普适性，将来可以应用到生命科学与临床医学研究的各个领域。尤其是在疾病治疗方向，时空组学最终有望为人类健康带来极大的改善。

在人类发育疾病方面，过去发现了很多与人类发育相关的变异，这些变异导致母亲怀孕的过程中流产或者新生儿出现出生缺陷的情况，比如唇腭裂、唐氏综合征等，但大家不了解其背后的原理。现在，研究人员能够借助时空组学技术 Stereo-seq，找到它在发育的哪些时期、哪个器官、哪种细胞类型发生了异常，这对未来潜在的治疗具有重要意义。

在肿瘤防治方面，时空组学技术 Stereo-seq 具有发现更多新的疾病生物标志物的潜力，这一特点驱动了时空组学市场的增长。已有一定的研究证明，对特定基因的空间定位可以用于准确区分癌症组织和健康组织的区域，同时也可用于区分恶性、良性肿瘤组织区域。在癌症治疗中，时空组学技术Stereo-seq 有助于评估 T 细胞的位置，通过定位这些细胞是浸润在肿瘤内部还是存在于肿瘤周围。这将成为一个重要的预后指标。