作为近年备受关注的组学技术，空间转录组技术一经推出便“引爆”生物科研圈，并多次被Nature及Nature Methods评为年度技术之一[1-3]。基于原位捕获的空间转录组技术在保留样本空间位置信息的同时，采用测序策略获得组织切片中细胞的基因表达数据，结合影像信息，可更全面、更直观地分析组织空间异质性。
华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq的检测分辨率为500 nm，捕获面积最大可达13 cm×13 cm，是全球唯一能同时实现“纳米级分辨率”和“厘米级全景视场”的原位捕获空间全转录组测序技术。
该技术可以在亚细胞分辨率下，观察到正常状态和疾病状态下分子和细胞的分布及细胞之间的互作情况，真正实现了从高精度结构的角度去理解生命功能，对于重新认知生命结构、个体发育、生命演化以及定义疾病具有关键作用。Stereo-seq为研究人员观察生命提供了全新视角，也因此成为了高水平文章发表的基石。
Stereo-seq芯片尺寸
Stereo-seq的超高分辨率和超大视野使得研究人员能以亚细胞分辨率研究较大组织的空间转录组信息，例如，小鼠胚胎组织、猴脑组织等。大尺寸芯片单次实验检测面积更大，大大降低了空间转录组实验对样本尺寸的限制，精准匹配目标组织器官大小，助力研究人员在发育生物学、神经科学、肿瘤疾病等研究领域解析完整的细胞空间表达模式，真正实现器官和生命全景分子细胞图谱的绘制。
此外，Stereo-seq还可开展3D重构研究，探索胚胎发育过程中基因表达的空间变化，洞察癌症时空演化机制，大大推动了研究人员对生命复杂性和人类疾病的全面认知。
案例一 Stereo-seq助力绘制全球首个非人灵长类全脑皮层空间单细胞3D图谱
基于大尺寸芯片的Stereo-seq在猕猴大脑研究中展现了显著优势。以2023年7月发表在Cell上的文章[4]为例，研究人员选择两只猕猴的整个大脑皮层进行单细胞转录组研究，并利用三只成年雄性猕猴的左半球10 mm冠状切片进行了Stereo-seq分析。利用5cm×3cm 大尺寸芯片，研究者成功收录了161张厚度为10微米切片的空间转录组数据，进行了猕猴大脑的精细化研究。
猕猴冠状切片(上)和5个样本切片(下)的264种细胞类型在23个细胞亚类中的空间分布
这一大尺寸芯片的应用，不仅揭示了不同类型细胞与脑区层级结构的关系，还绘制了完整的细胞类型分类树。该研究的成果——世界首套单细胞分辨率猕猴大脑皮层细胞空间分布图谱，为深入探索大脑组织的分子和细胞研究在进化、发育、衰老及疾病发生等领域奠定了坚实基础。
此外，Stereo-seq技术不仅提供了目前最完整的灵长类大脑数据，还通过独特的3D重构分析方法，实现了对过百张切片数据的整合与可视化展示。这种方法并非简单的基因表达数据堆叠，而是从构建3D坐标系开始，经过矩阵转换和基础分析，最终呈现出整体3D组织的立体结构。
在下游的个性化分析中，Stereo-seq技术同样展现出了其灵活性，允许研究者根据研究需要，探索全组织、感兴趣器官或部分区域的任意细节，这一特点使得Stereo-seq在生命科学研究中具有广泛的应用前景。
案例二 Stereo-seq助力刻画多时间点、超大面积人脑多区域时空发育转录组图谱
2023年12月，基于华大时空组学生态合作伙伴安诺优达提供的定制芯片分析[5]，研究人员选用连续时间（GW6-GW23）的人类胚胎，成功绘制了迄今为止跨时间点最广、面积最大的人脑多区域时空发育转录组图谱。在该研究中，研究人员利用Stereo-seq大尺寸芯片，实现了组织的完整解析，这一成果凸显了Stereo-seq大尺寸芯片在解析复杂生物学问题时的强大能力。
研究中采用1cm × 1cm到3cm × 4cm 多尺寸芯片规格，不仅满足了不同胚胎大小的需求，而且揭示了区域异质性，从而详细展示了人类胚胎的精细特征。这种高分辨率的空间研究，揭示了发育中人脑不同脑区由不同细胞类型组成的有序分布模式，为人脑发育、神经元的区域特化和相关疾病的深入研究提供了宝贵的资源。
由华大生态合作伙伴安诺优达提供的Stereo-seq 定制化芯片分析
值得一提的是，研究人员不仅首次鉴定到中脑放射状胶质细胞的五个新亚型，深入解析了其空间分布，而且，还发现了间脑神经元以及神经胶质细胞亚型的背腹侧分布差异，这些发现进一步证明了Stereo-seq大尺寸芯片在揭示生物组织复杂性和多样性方面的独特优势。
案例三 Stereo-seq助力构建小鼠胚胎发育三维时空图谱
2022年5月发表在Cell上的研究[6]，同样使用了大尺寸芯片。Stereo-seq在小鼠器官发生过程的时空转录组图谱（MOSTA）构建中展现出了显著优势。该研究中使用的最大的芯片为200 mm²，完整的可用于原位捕获的Stereo-seq芯片最大面积达到了174.24 cm²，是目前已知最大的，并在单细胞分辨率下展示出了极高的基因捕获灵敏度（1,450个UMI/100 μm²）。
Stereo-seq构建小鼠胚胎发育图谱
利用Stereo-seq技术，研究人员能够系统地分析组织面积相对较大且三维的中晚期胚胎，以单细胞分辨率和高灵敏度绘制出小鼠器官发生过程中转录变异的动力学和方向性。这为理解发育组织中空间细胞异质性和细胞命运指定提供了深入见解，尤其是在背侧中脑等关键发育组织中。
相较于其他已报道的空间转录组学测序技术，Stereo-seq不仅能达到单细胞分辨率，而且在相同精度下，能展现出更强和更灵敏的mRNA捕获能力。这一全景图谱的构建将有助于科研人员深入研究哺乳动物正常和异常发育的长期问题，为未来的生物学研究和临床应用开辟新的可能性。
Stereo-seq技术的核心在于独特的DNA纳米球（DNB）阵列芯片，这个创新设计突破了传统技术在分辨率、基因捕获和视野上的局限。Stereo-seq芯片拥有单细胞级分辨率以及13 cm×13 cm超大捕获面积，可满足研究人员精确匹配目标组织大小，实现从时间和空间维度对生命发育、肿瘤演化、脑科学再生研究中的基因和细胞变化过程进行超高精度解析，为认识器官结构、生命发育、人类疾病和物种演化提供了全新方向。
针对大尺寸芯片，华大可根据研究人员的实际研究需求，开展定制化合作，满足个性化研究需要。未来，随着技术的不断发展完善，Stereo-seq大尺寸芯片必将在科研发现中发挥更关键的作用。
华大时空组学也将继续开发通用且功能强大的工具，携手生态合作伙伴，一同助力广大科研工作者在生长发育、生命演化、器官结构、疾病机制等研究领域取得创新突破，推动生命科学行业加速发展。
参考文献：
[1] Eisenstein M. Seven technologies to watch in 2022. Nature 601, 658-661 (2022).
[2] Tang L. Spatially resolved multiomics. Nat Methods 20(12), 1871 (2023).
[3] Eisenstein M. Seven technologies to watch in 2024. Nature 625, 844-848 (2024).
[4] Chen A, Sun Y, Lei Y, et al. Single-cell spatial transcriptome reveals cell-type organization in the macaque cortex. Cell 185, 1-16 (2023).
[5] Li Y, Li Z, Wang C, et al. Spatiotemporal transcriptome atlas reveals the regional specification of the developing human brain. Cell 186, 5892-5909 (2023).
[6] Chen, A. et al. Spatiotemporal transcriptomic atlas of mouse organogenesis using DNA nanoball patterned arrays. Cell 185, 1-16 (2022).
