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空间转录组学将如何描绘生物学的下一个前沿

空间转录组学被《自然》杂志评为2020年的年度方法,它采用先进的成像方法和新颖的化学技术,极大地扩展了我们对健康和疾病的理解。

人体由十亿个细胞组成。它们显示巨大的蜂窝种类和高度的空间组织 - 一种发展的产品,由于环境和年龄等因素而不断变化。了解我们细胞复杂结构和功能细节之间的相互作用对于基础和临床研究至关重要。然而,历史上,寻求探索生物学的空间要素的科学家受到当天技术的限制,这阻止了它们与组织范围的观察结果结婚。

现在,在一个叫做空间转录组学的分子生物学领域里,这个屏障开始消失。被认为是年份通过自然2020年,空间转录组学采用先进的成像方法和新的化学技术,将极大地扩展我们对健康和疾病的理解。

位置,位置,位置

要了解疾病,我们必须了解什么构成健康的身体,这里的位置很重要。在开发期间,所有细胞携带基因组的相同副本,并且随着时间的推移,细胞基于来自空间环境的提示分化成各种类型。这些提示根据需要调节其基因组的表达,导致各细胞中的不同转录模式和随后的蛋白质表达。以这种方式,细胞获取适合于其在体内作用的表型 - 例如,作为脑细胞,肝细胞或肌肉细胞。在整个器官或组织中,甚至在较小的微环境中,不同的细胞类型在物理空间中共存。每个地区含有一个互动群落,在急性和慢性疾病的情况下,可以被丢失出来导致疾病症状。

疾病通常会引起特定细胞类型或身体部位的变化。例如,肝硬化是与肝脏有关的那里发现了几种细胞类型这种疾病被认为是大脑的神经退化部分原因是神经胶质细胞的变化以及癌变肿瘤的微环境编排众多单元格类型的动作鼓励肿瘤生长和转移。虽然已经取得了阐明了与疾病相关的细胞和分子变化,但科学只开始划伤了表面。对于理解疾病差,科学家们甚至可能无法知道他们正在寻找什么。解锁这些医疗酶促酶促,科学家需要称为“细胞的阿特拉斯“基于遗传,转录组,蛋白质组学和代谢物谱提供人体的所有细胞的位置和身份。致力于一个完整的人类细胞阿特拉斯仍在进行中,但科学家已经能够使用生长的数据找出疾病的新基因和细胞特征。

制作这些参考地图并非易事,因为它们必须反映人体的巨大复杂性。空间转录组学是一种强大的细胞图谱策略。它采用高通量方法和单细胞技术,使研究人员开始根据RNA表达将细胞分类为细胞类型。然后,它将这些信息与细胞的形状、大小、功能以及与相邻细胞的相互作用联系起来——所有这些都是在整个组织的背景下进行的。

一路走来的挑战

空间转录组学试图分析天文数字的细胞,并绘制出它们之间的差异。因此,科学家们需要能够以速度、规模和灵敏度水平获取大容量单分子数据的技术,这种技术能够实际地绘制整个生物体的图谱,从而产生可靠地区分健康和患病组织的结果。

然而,对亚细胞细节和组织范围数据的需求是该领域的一个主要挑战。为了满足这两个需求,空间转录组技术必须在几个关键能力上最大化:每个实验可以分析的组织区域的大小,每个实验可以评估的基因数量,检测效率和图像的空间分辨率。然而,到目前为止,大多数空间转录组学的解决方案都被迫为了其他的能力而牺牲其中一个或多个能力的质量。另一方面,市场上的许多单细胞测序技术提供了同时对许多基因进行基因分析的优势,但这些方法由于分解组织而失去了所有的空间信息。

空间转录组织的未来

例如,某些生物学质疑,那些将涉及全部器官的健康和患病的个体揭示疾病生物标志物,目前对大多数实验室都无法实现。然而,现场的进步承诺提高我们对基因组规模的转录组数据捕获,并降低成本,即将进行以前难以想象,常规的实验。这是因为新的空间技术都包含更多的功能,提升了可以获得的数据质量,例如:

  • 多路复用-每次实验可测定数百种或更多的mRNA种类
  • 分辨率-单细胞/亚细胞分辨率,可以洞察mRNA的物种位置和拷贝数
  • 敏感性-识别低表达基因的细胞
  • 样本面积-能够分析整个切片,捕捉组织结构和大量细胞

下一代空间转录组学工具应该在不牺牲其他能力的前提下,在这些能力中脱颖而出。这将使科学家彻底了解细胞如何遵循一个独特的空间组织,这是其功能、分类和对邻近细胞的影响的基础。通过新的空间数据,生物系统的科学模型将植根于实际生物组织的精确、详细的地图,为生物系统提供无与伦比的洞察力。有了这些图谱,疾病可以得到解决,不仅基于它们的分子机制,而且通过系统地理解它们的病因学。空间技术的发展不仅为研究人员提供了对组织规模的基础研究和转化医学越来越具有变革性的见解,还将加速药物的发现和开发。

图片:孤独…,盖蒂图片社


特里罗
特里罗

特里罗

Terry Lo是总裁兼首席执行官Vizgen该公司通过将MERSCOPE平台商业化,确立了空间基因组学的标准。MERSCOPE平台是业界首个大规模多路复用、空间分辨率高的单细胞基因组学成像工具。在Vizgen, Terry利用20年的领导经验来扩大公司的增长,并推动MERSCOPE的商业发展,该产品于2021年9月在美国推出。

此前,Terry开创了空间生物学的早期商业成功,首先担任PerkinElmer的组织业务,然后担任Akoya Biosciences的总裁。此次,特里带领全球采用Roche分子的宫颈癌初级筛查的HPV测试,并在Hologic和BMS的职位中挖掘到国际市场。他拥有芝加哥大学商业学院的MBA,来自弗吉尼亚州科技的微生物学士学位,以及俄亥俄州州立大学的分子遗传学和心理学中的双BS度。

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