单细胞测序、CosMx与PCF如何构建空间多组学研究范式？

高水平空间组学研究越来越关注一个问题如何从“细胞清单”走向“组织生态系统理解”。单细胞测序擅长发现细胞类型、转录状态和候选markerCosMx等空间转录组擅长把基因表达放回组织空间PCF类空间蛋白组学方法则进一步观察蛋白表达、细胞状态和邻近关系。三者联合的意义不在于技术数量越多越好而在于每一层技术都回答不同问题共同服务于同一个科学主线。这篇Nature Communications文献的设计非常适合拆解这种范式。研究者首先通过外周血和结肠活检样本的scRNA-seq、CITE-seq和CyTOF解析溃疡性结肠炎及VDZ相关研究分组中的细胞组成和表达变化。随后他们进一步在FFPE组织中使用MIBI、PCF(CODEX)和CosMx回到组织原位观察空间异质性、细胞邻近关系和转录空间分布。也就是说单细胞层面回答“有哪些细胞和表达变化”空间转录组回答“这些表达状态在哪里”PCF类空间蛋白组学回答“这些细胞在蛋白层面如何组织在一起”。在单细胞和CITE-seq部分文献观察到VDZ相关变化并不只集中于淋巴细胞还涉及MNP、成纤维细胞、内皮细胞和上皮细胞等多个区室。尤其是在结肠黏膜组织中MNP、activated fibroblast、S2 fibroblast、内皮和上皮细胞呈现出丰富变化。单细胞测序可以帮助研究者形成候选细胞群和marker清单但这些细胞被消化成悬液后原有组织结构会丢失。因此下一步需要PCF(CODEX)和CosMx把这些候选细胞重新放回组织切片中观察。CosMx在这条技术路线中承担“空间转录定位”的角色。研究者利用960-plex和1000-plex CosMx在FFPE组织中观察细胞类型、基因表达和不同研究分组相关的空间特征。例如CosMx可以看到activated inflammatory MNP、activated fibroblast、IEC crypt base等细胞状态并分析相关基因在空间中的分布。对于炎症组织而言这一层信息帮助研究者从RNA层面理解组织区域差异和潜在表达程序。PCF(CODEX)这类空间蛋白组学则承担“蛋白和邻域观察”的角色。PCF(CODEX)和MIBI通过多重抗体Panel观察细胞表型、蛋白表达和空间邻近关系。文献中MNP与成纤维细胞之间的邻近关系就是一个典型的PCF技术适配问题不仅要知道它们是否存在还要知道它们是否靠近、是否形成局部组织微环境以及是否与炎症程度或组织状态相关。PCF的优势在于将蛋白标志物、细胞身份和组织空间坐标放在同一张切片中分析。因此这篇文章体现的不是“单细胞空间转录组PCF(CODEX)”技术堆叠而是一条清晰的科研逻辑单细胞测序发现细胞群和表达状态CosMx定位空间转录特征PCF(CODEX)观察蛋白表达和邻域结构。对于炎症、肿瘤、纤维化、神经炎症和器官发育等复杂组织研究这种范式有助于形成“细胞发现—空间定位—蛋白观察—机制假设生成”的研究路径。【说明】本文仅为科研技术方法介绍不涉及疾病诊断、治疗建议、疗效预测、用药指导或临床决策。文中提及研究发现均来自学术文献相关分析结果需结合更多实验和研究进一步观察与复核不构成任何医疗意见。【参考文献】Mennillo E, Kim YJ, Lee G, Rusu I, Patel RK, Dorman LC, Flynn E, Li S, Bain JL, Andersen C, Rao A, Tamaki S, Tsui J, Shen A, Lotstein ML, Rahim M, Naser M, Bernard-Vazquez F, Eckalbar W, Cho SJ, Beck K, El-Nachef N, Lewin S, Selvig DR, Terdiman JP, Mahadevan U, Oh DY, Fragiadakis GK, Pisco A, Combes AJ, Kattah MG. Single-cell and spatial multi-omics highlight effects of anti-integrin therapy across cellular compartments in ulcerative colitis. Nat Commun. 2024 Feb 19;15(1):1493. doi: 10.1038/s41467-024-45665-6. PMID: 38374043; PMCID: PMC10876948.