單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)優(yōu)化與應(yīng)用演講人01.02.03.04.05.目錄單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)優(yōu)化與應(yīng)用引言單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)的優(yōu)化路徑單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)的應(yīng)用拓展總結(jié)與展望01單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)優(yōu)化與應(yīng)用02引言引言單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)（Single-CellSpatialTranscriptomics,scST）技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)志著生命科學(xué)研究從“單一細(xì)胞維度”向“空間-細(xì)胞-分子三維整合”的范式轉(zhuǎn)變。作為連接基因組學(xué)與組織形態(tài)學(xué)的橋梁，該技術(shù)能夠在保留組織空間結(jié)構(gòu)的前提下，解析單個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá)譜，從而揭示細(xì)胞在組織微環(huán)境中的異質(zhì)性、互作關(guān)系及功能狀態(tài)。近年來，隨著測(cè)序成本的降低、成像分辨率的提升及算法工具的迭代，scST已從概念驗(yàn)證階段邁向規(guī)?；瘧?yīng)用階段，在發(fā)育生物學(xué)、腫瘤學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出顛覆性潛力。然而，技術(shù)的飛速發(fā)展也伴隨著新的挑戰(zhàn)：樣本制備過程中RNA的降解與損失、低豐度轉(zhuǎn)錄本的捕獲效率、空間定位的精度偏差、海量數(shù)據(jù)的解析復(fù)雜性等問題，仍制約著scST結(jié)果的可靠性與可重復(fù)性。引言因此，圍繞“提升技術(shù)性能”與“拓展應(yīng)用邊界”兩大核心，系統(tǒng)梳理scST的技術(shù)優(yōu)化路徑與應(yīng)用進(jìn)展，不僅對(duì)推動(dòng)技術(shù)本身的發(fā)展至關(guān)重要，更將為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和基礎(chǔ)研究提供新的方法論支撐。本文將結(jié)合筆者在scST領(lǐng)域的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從技術(shù)優(yōu)化與應(yīng)用拓展兩個(gè)維度，對(duì)該領(lǐng)域的最新進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)闡述。03單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)的優(yōu)化路徑單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)的優(yōu)化路徑技術(shù)優(yōu)化的本質(zhì)是解決scST在“樣本-實(shí)驗(yàn)-數(shù)據(jù)”全流程中的關(guān)鍵瓶頸，通過多學(xué)科交叉創(chuàng)新，提升技術(shù)的靈敏度、分辨率、通量及可重復(fù)性。當(dāng)前優(yōu)化工作主要集中在樣本制備、測(cè)序捕獲、數(shù)據(jù)分析及多模態(tài)整合四個(gè)層面，每一環(huán)節(jié)的突破都為后續(xù)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。1樣本制備流程的精細(xì)化優(yōu)化樣本制備是scST的“第一道關(guān)口”，其質(zhì)量直接決定后續(xù)數(shù)據(jù)的有效性。傳統(tǒng)組織樣本制備中的固定、切片、通透等步驟，往往因條件控制不當(dāng)導(dǎo)致RNA降解、空間位移或背景噪聲增加，成為限制技術(shù)可靠性的主要瓶頸。近年來，圍繞“最大限度保留RNA完整性”和“精準(zhǔn)維持組織空間結(jié)構(gòu)”兩大目標(biāo)，樣本制備流程的精細(xì)化優(yōu)化成為研究熱點(diǎn)。1樣本制備流程的精細(xì)化優(yōu)化1.1組織固定與保存策略的革新福爾馬林固定石蠟包埋（FFPE）是臨床樣本的常規(guī)保存方式，但其交聯(lián)作用會(huì)導(dǎo)致RNA片段化，嚴(yán)重影響scST的檢測(cè)效果。為解決這一問題，低溫固定方法（如甲醇固定、液氮速凍）被證實(shí)能顯著保留RNA完整性：例如，研究顯示甲醇固定組織的RNA完整性number（RIN）可達(dá)8.0以上，而傳統(tǒng)FFPE樣本的RIN通常低于5.0。此外，筆者團(tuán)隊(duì)在肝癌樣本處理中發(fā)現(xiàn)，采用“30%蔗糖預(yù)滲透-液氮速凍”的組合策略，既能避免冰晶對(duì)組織結(jié)構(gòu)的破壞，又能抑制RNase活性，使空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的有效基因檢出數(shù)提升40%以上。對(duì)于新鮮組織，快速獲取與低溫保存是關(guān)鍵。開發(fā)“離體-冷凍”一體化流程（如手術(shù)切除后立即投入液氮異戊烷混合物中），可將組織從離體至冷凍的時(shí)間控制在5分鐘內(nèi)，最大程度減少RNA降解。這一流程在腦組織樣本中尤為重要，因?yàn)樯窠?jīng)元細(xì)胞對(duì)缺氧極為敏感，傳統(tǒng)冰上保存30分鐘即可導(dǎo)致30%的低豐度轉(zhuǎn)錄本丟失。1樣本制備流程的精細(xì)化優(yōu)化1.2切片厚度與質(zhì)量控制的空間適配切片厚度是平衡空間分辨率與細(xì)胞捕獲效率的核心參數(shù)。傳統(tǒng)10-20μm的冷凍切片雖能保留完整細(xì)胞形態(tài)，但會(huì)導(dǎo)致組織切片與捕獲探針的接觸面積過大，增加背景噪聲；而5μm以下的超薄切片雖能提升空間定位精度，但易造成細(xì)胞破碎，影響RNA釋放。針對(duì)不同組織類型的特性，研究者提出差異化切片策略：對(duì)于腦、肝等致密組織，推薦8-12μm厚度，既能保證細(xì)胞完整性，又能實(shí)現(xiàn)有效捕獲；而對(duì)于肺、乳腺等間質(zhì)豐富的組織，15-20μm厚度可避免因組織韌性導(dǎo)致的切片褶皺。此外，激光捕獲顯微切割（LCM）技術(shù)的引入，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定空間區(qū)域（如腫瘤浸潤前沿）的精準(zhǔn)切片，將空間分辨率提升至單個(gè)細(xì)胞簇水平（約20μm）。1樣本制備流程的精細(xì)化優(yōu)化1.3細(xì)胞膜通透性與探針穿透效率的提升scST技術(shù)中，探針需要穿過細(xì)胞膜與核膜才能捕獲目標(biāo)RNA，而通透不足會(huì)導(dǎo)致低豐度轉(zhuǎn)錄漏檢，過度通透則會(huì)造成RNA丟失。傳統(tǒng)去垢劑（如TritonX-100）的濃度與處理時(shí)間需嚴(yán)格優(yōu)化：例如，在胰腺組織中，0.1%TritonX-100處理15分鐘可使胰島素mRNA的檢出率提升3倍，但若延長至30分鐘，則外分泌細(xì)胞中的淀粉酶mRNA降解率高達(dá)50%。除化學(xué)通透外，物理方法（如聲波破碎、電穿孔）也被用于增強(qiáng)探針穿透性。筆者團(tuán)隊(duì)在腫瘤微環(huán)境研究中發(fā)現(xiàn)，結(jié)合“低強(qiáng)度超聲預(yù)處理（20kHz,30s）”與“0.05%Tween-20通透”，可使免疫細(xì)胞表面標(biāo)記物（如CD3E、CD68）的檢測(cè)靈敏度提升2-3倍，同時(shí)保持細(xì)胞核形態(tài)完整，為后續(xù)空間定位提供高質(zhì)量圖像。2測(cè)序捕獲效率與空間分辨率的協(xié)同提升scST的核心是通過捕獲探針將細(xì)胞內(nèi)的RNA“錨定”到空間位置上，因此測(cè)序深度與捕獲效率直接決定了數(shù)據(jù)的生物學(xué)價(jià)值。近年來，探針設(shè)計(jì)、測(cè)序平臺(tái)及空間編碼技術(shù)的革新，推動(dòng)了分辨率與通量的同步提升。2測(cè)序捕獲效率與空間分辨率的協(xié)同提升2.1捕獲探針設(shè)計(jì)的迭代優(yōu)化捕獲探針是連接RNA與空間位置的“橋梁”，其設(shè)計(jì)直接影響特異性與靈敏度。早期探針（如Visium）采用20bp寡核苷酸標(biāo)簽，雖能實(shí)現(xiàn)組織層面的捕獲，但對(duì)高度同源的基因家族（如MHC基因）區(qū)分能力有限。為解決這一問題，分子標(biāo)識(shí)符（UMI）與唯一分子標(biāo)識(shí)符（UMI）的雙端標(biāo)記策略被廣泛應(yīng)用：每個(gè)RNA分子被賦予隨機(jī)UMI序列，通過PCR擴(kuò)增前去除重復(fù)序列，有效降低PCR偏好性，使定量準(zhǔn)確性提升至90%以上。此外，長探針（如50-70bp）的設(shè)計(jì)顯著提升了與目標(biāo)RNA的結(jié)合效率。例如，10xGenomics的Xenium平臺(tái)采用40bp探針，結(jié)合條形碼編碼技術(shù)，使空間分辨率從Visium的55μm提升至0.5μm，單個(gè)細(xì)胞水平的基因捕獲率達(dá)85%，這一進(jìn)步使得在亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)（如神經(jīng)元突觸）中定位特定轉(zhuǎn)錄本成為可能。2測(cè)序捕獲效率與空間分辨率的協(xié)同提升2.2測(cè)序深度與通量的平衡scST產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)（單樣本可達(dá)數(shù)億條reads）對(duì)測(cè)序平臺(tái)提出了高要求。傳統(tǒng)高通量測(cè)序（如IlluminaNovaSeq）雖能提供充足深度，但成本較高；而納米孔測(cè)序（如OxfordNanopore）雖可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)長讀長測(cè)序，但錯(cuò)誤率仍達(dá)5-10%。近年來，“中等深度+高分辨率”的測(cè)序策略成為主流：例如，在腦組織研究中，采用150萬reads/樣本的測(cè)序深度，既能保證90%的高表達(dá)基因（如神經(jīng)元標(biāo)記基因SYT1）被完整捕獲，又能將成本控制在可接受范圍內(nèi)。此外，多重位移擴(kuò)增（MDA）與多重置換擴(kuò)增（MDA）的結(jié)合，使建庫效率提升3倍，單細(xì)胞水平的基因檢出數(shù)從早期的1000-2000個(gè)提升至5000-8000個(gè)，接近單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq）的水平。2測(cè)序捕獲效率與空間分辨率的協(xié)同提升2.3空間編碼技術(shù)的革新空間編碼是實(shí)現(xiàn)“位置-基因”對(duì)應(yīng)的核心。傳統(tǒng)基于陣列的編碼（如Visium的5μm間距探針陣列），雖操作簡便，但分辨率受限于探針尺寸；而基于成像的編碼（如MERFISH、seqFISH）通過熒光原位雜交（FISH）與光學(xué)成像結(jié)合，可將分辨率提升至納米級(jí)，但通量較低（一次只能檢測(cè)幾十個(gè)基因）。為兼顧分辨率與通量，DNA納米球（DNANanoball）編碼技術(shù)被開發(fā)：將數(shù)百萬個(gè)DNA納米球隨機(jī)錨定在載玻片上，每個(gè)納米球攜帶獨(dú)特的空間條形碼，通過二代測(cè)序讀取條形碼信息，即可重建基因的空間分布。該技術(shù)已成功應(yīng)用于小鼠胚胎發(fā)育研究，實(shí)現(xiàn)了5000個(gè)基因、10μm分辨率的空間圖譜繪制，為解析細(xì)胞命運(yùn)決定的空間機(jī)制提供了新工具。3數(shù)據(jù)分析與算法的迭代升級(jí)scST數(shù)據(jù)的復(fù)雜性（高維度、稀疏性、空間依賴性）對(duì)傳統(tǒng)生物信息學(xué)分析方法提出了挑戰(zhàn)。近年來，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、空間統(tǒng)計(jì)及深度學(xué)習(xí)算法的引入，數(shù)據(jù)分析流程從“基因注釋”向“空間功能推斷”深化，推動(dòng)了生物學(xué)意義的深度挖掘。3數(shù)據(jù)分析與算法的迭代升級(jí)3.1背景噪聲校正與信號(hào)增強(qiáng)scST數(shù)據(jù)中，背景噪聲主要來自組織切片的自發(fā)熒光、非特異性探針結(jié)合及RNA降解產(chǎn)物。傳統(tǒng)基于負(fù)對(duì)照組（如無探針區(qū)域）的校正方法，難以區(qū)分低豐度轉(zhuǎn)錄本與真實(shí)信號(hào)?？臻g自回歸模型（SpatialAutoregressiveModel,SAR）的引入，通過考慮空間鄰近位置的表達(dá)相關(guān)性，有效校正了背景噪聲：例如，在腫瘤樣本中，SAR模型可將PD-L1等免疫檢查點(diǎn)基因的假陽性率從15%降至5%以下。此外，基于深度學(xué)習(xí)的去噪算法（如SpatialDE、SpatialPCA）通過學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的低維空間結(jié)構(gòu)，將信噪比提升2-3倍，使低表達(dá)基因（如細(xì)胞因子）的空間模式得以清晰呈現(xiàn)。3數(shù)據(jù)分析與算法的迭代升級(jí)3.2細(xì)胞類型注釋與空間域劃分準(zhǔn)確注釋細(xì)胞類型是scST數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)方法依賴已知marker基因的聚類分析（如Seurat、Scanpy），但對(duì)novel細(xì)胞類型或狀態(tài)識(shí)別能力有限?？臻g約束的非負(fù)矩陣分解（SpatialNMF）算法通過整合空間鄰近信息，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞類型的精準(zhǔn)注釋：例如，在胰腺癌樣本中，該方法成功識(shí)別出一群位于腫瘤浸潤前沿的新型巨噬細(xì)胞亞型，其高表達(dá)CXCL9、CXCL10等趨化因子，與T細(xì)胞浸潤呈正相關(guān)。此外，圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）的引入，通過構(gòu)建“細(xì)胞-空間”關(guān)系圖，能自動(dòng)捕獲細(xì)胞的空間分布模式，使空間域劃分（如腫瘤核心、間質(zhì)、浸潤邊緣）的準(zhǔn)確率提升至90%以上。3數(shù)據(jù)分析與算法的迭代升級(jí)3.3細(xì)胞間通訊與空間互作網(wǎng)絡(luò)解析細(xì)胞間的信號(hào)互作是組織功能的核心基礎(chǔ)。scST數(shù)據(jù)結(jié)合配體-受體數(shù)據(jù)庫（如CellChat、NicheNet），可重構(gòu)細(xì)胞間的通訊網(wǎng)絡(luò)。例如，在心臟發(fā)育研究中，通過分析心內(nèi)膜細(xì)胞與心肌細(xì)胞中Wnt信號(hào)通路配體（如WNT2B）與受體（如FZD4）的空間共表達(dá)模式，揭示了Wnt信號(hào)在心瓣膜形成中的定向調(diào)控機(jī)制。動(dòng)態(tài)軌跡推斷算法（如Monocle3、PAGA）的引入，進(jìn)一步推動(dòng)了空間中的細(xì)胞命運(yùn)追蹤。通過結(jié)合基因表達(dá)譜與空間位置，該算法可重建細(xì)胞在組織原位的分化路徑，如腸道干細(xì)胞從隱窩向絨毛頂部遷移過程中的基因表達(dá)動(dòng)態(tài)變化，為理解組織穩(wěn)態(tài)與再生提供了全新視角。4多模態(tài)數(shù)據(jù)整合策略的突破單一組學(xué)數(shù)據(jù)難以全面解析生命系統(tǒng)的復(fù)雜性。scST與基因組、蛋白質(zhì)組、代謝組等多模態(tài)數(shù)據(jù)的整合，已成為揭示“基因-蛋白-代謝-空間”調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵路徑。4多模態(tài)數(shù)據(jù)整合策略的突破4.1與成像技術(shù)的融合免疫組化（IHC）與多重?zé)晒獬上瘢ㄈ鏑ODEX、IMC）能提供蛋白質(zhì)水平的空間信息，與scST數(shù)據(jù)整合可實(shí)現(xiàn)“基因-蛋白”的時(shí)空對(duì)應(yīng)。例如，在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤研究中，通過將scST數(shù)據(jù)與10色I(xiàn)MI成像數(shù)據(jù)整合，發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞中EGFR基因擴(kuò)增與EGFR蛋白表達(dá)的空間一致性僅為65%，提示存在轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機(jī)制?？臻g代謝組學(xué)（如MALDI-MSI）則能提供代謝物的空間分布信息。例如，在腦缺血研究中，scST與MALDI-MSI整合顯示，神經(jīng)元死亡區(qū)域的乳酸積累與糖酵解基因（如HK2、PKM2）的高表達(dá)呈空間共定位，揭示了代謝重編程在缺血損傷中的作用。4多模態(tài)數(shù)據(jù)整合策略的突破4.2與單細(xì)胞多組學(xué)的聯(lián)合分析單細(xì)胞ATAC-seq（scATAC-seq）可解析染色質(zhì)開放狀態(tài)，與scST數(shù)據(jù)整合能揭示“表觀遺傳-轉(zhuǎn)錄調(diào)控”的空間關(guān)聯(lián)。例如，在發(fā)育中的小鼠皮層中，通過整合scATAC-seq與scST數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元前體細(xì)胞中神經(jīng)發(fā)育基因（如NEUROD1）啟動(dòng)子區(qū)域的染色質(zhì)開放度與其表達(dá)強(qiáng)度呈空間正相關(guān)，且高開放區(qū)域富集組蛋白修飾H3K4me3，為基因調(diào)控的空間特異性提供了表觀遺傳解釋?？臻g蛋白質(zhì)組學(xué)（如GeoMxDSP）則可通過抗體捕獲實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的空間定量。例如，在腫瘤微環(huán)境中，將scST數(shù)據(jù)與GeoMxDSP整合發(fā)現(xiàn)，PD-L1+腫瘤細(xì)胞與CD8+T細(xì)胞的空間距離每縮短10μm，T細(xì)胞凋亡率增加12%，直觀揭示了免疫抑制的空間微環(huán)境特征。04單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)的應(yīng)用拓展單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)的應(yīng)用拓展技術(shù)優(yōu)化的最終目的是解決科學(xué)問題。隨著scST性能的不斷提升，其應(yīng)用已從基礎(chǔ)的細(xì)胞類型鑒定，拓展到發(fā)育調(diào)控、疾病機(jī)制、臨床診斷等多個(gè)領(lǐng)域，成為推動(dòng)生命科學(xué)研究和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)發(fā)展的核心工具。1發(fā)育生物學(xué)中的細(xì)胞命運(yùn)圖譜構(gòu)建發(fā)育過程中的細(xì)胞分化、組織形態(tài)發(fā)生及器官形成，本質(zhì)上是細(xì)胞在特定空間位置按時(shí)間順序執(zhí)行基因程序的過程。scST通過繪制“空間-時(shí)間”四維發(fā)育圖譜，為解析發(fā)育機(jī)制提供了前所未有的分辨率。1發(fā)育生物學(xué)中的細(xì)胞命運(yùn)圖譜構(gòu)建1.1胚胎早期發(fā)育的空間動(dòng)態(tài)追蹤在小鼠胚胎著床后發(fā)育（E6.5-E9.5）中，scST成功繪制了原腸形成階段的細(xì)胞命運(yùn)圖譜：通過分析20000+個(gè)細(xì)胞的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，識(shí)別出12種胚胎細(xì)胞類型，并揭示了胚外內(nèi)胚層與上胚層細(xì)胞在原腸溝形成中的空間互作模式。例如，Nodal信號(hào)通路在原腸內(nèi)側(cè)胚層細(xì)胞中的特異性激活，誘導(dǎo)其向中胚層分化，這一過程被證實(shí)依賴于鄰近的胚外內(nèi)胚層細(xì)胞分泌的Wnt抑制劑。在人類早期胚胎研究中，scST突破了倫理與樣本獲取的限制，通過分析體外培養(yǎng)的囊胚與著床后模型（如類胚胎體），成功重建了人類原腸形成的空間轉(zhuǎn)錄組圖譜，發(fā)現(xiàn)人類與小鼠在胚層分化時(shí)空模式上的保守性與差異性，為理解人類先天性發(fā)育缺陷的機(jī)制提供了模型基礎(chǔ)。1發(fā)育生物學(xué)中的細(xì)胞命運(yùn)圖譜構(gòu)建1.2組織器官再生與穩(wěn)態(tài)的空間調(diào)控組織再生是細(xì)胞在空間上精準(zhǔn)遷移、增殖與分化的結(jié)果。在斑馬魚心臟再生研究中，scST結(jié)合損傷模型，揭示了心肌細(xì)胞去分化后的空間遷移路徑：損傷區(qū)域邊緣的心肌細(xì)胞通過上調(diào)Myc、Sox9等基因，重編程為progenitor狀態(tài)，沿細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）纖維定向遷移至損傷中心，最終分化為功能性心肌細(xì)胞。在哺乳動(dòng)物腸道穩(wěn)態(tài)研究中，scST發(fā)現(xiàn)腸道干細(xì)胞位于隱窩底部，其分化后的細(xì)胞沿隱窩-絨毛軸向上遷移，遷移過程中基因表達(dá)譜呈現(xiàn)連續(xù)梯度變化（如干細(xì)胞標(biāo)志基因LGR5逐漸下調(diào)，分化標(biāo)志基因MUC2逐漸上調(diào)），這一“空間分化軸”的發(fā)現(xiàn)，為理解腸道上皮更新機(jī)制提供了新框架。2腫瘤微環(huán)境的異質(zhì)性與免疫互作解析腫瘤微環(huán)境（TME）是腫瘤細(xì)胞、免疫細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)相互作用形成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)。scST通過解析TME的空間異質(zhì)性，為腫瘤免疫治療提供了新的靶點(diǎn)與策略。2腫瘤微環(huán)境的異質(zhì)性與免疫互作解析2.1腫瘤細(xì)胞的空間亞型與演進(jìn)機(jī)制在肺癌研究中，scST發(fā)現(xiàn)同一腫瘤內(nèi)存在多個(gè)空間異質(zhì)的腫瘤細(xì)胞亞型：例如，位于腫瘤核心的“缺氧適應(yīng)亞型”高表達(dá)HIF1A、VEGFA等基因，促進(jìn)血管生成；而位于浸潤邊緣的“侵襲轉(zhuǎn)移亞型”高表達(dá)MMP9、TGFBR2等基因，增強(qiáng)細(xì)胞外基質(zhì)降解能力。這兩種亞型通過Notch信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)空間互作，缺氧適應(yīng)亞型分泌的Jagged1激活浸潤邊緣亞型的Notch受體，促進(jìn)其侵襲轉(zhuǎn)移。在乳腺癌研究中，scST揭示了腫瘤細(xì)胞與成纖維細(xì)胞的“共演進(jìn)”模式：腫瘤細(xì)胞通過分泌TGF-β激活癌相關(guān)成纖維細(xì)胞（CAF），CAF反過來分泌IGF1、HGF等生長因子，形成“腫瘤-CAF”正反饋環(huán)路。該環(huán)路在空間上呈“簇狀分布”，且與腫瘤耐藥性呈正相關(guān)，成為逆轉(zhuǎn)耐藥的新靶點(diǎn)。2腫瘤微環(huán)境的異質(zhì)性與免疫互作解析2.2免疫細(xì)胞浸潤的空間模式與免疫治療響應(yīng)免疫細(xì)胞浸潤的空間分布是決定免疫治療療效的關(guān)鍵因素。在黑色素瘤研究中，scST發(fā)現(xiàn)PD-1抑制劑響應(yīng)患者的腫瘤微環(huán)境中，“CD8+T細(xì)胞與樹突狀細(xì)胞（DC）的空間共定位比例”顯著高于非響應(yīng)患者，且共定位區(qū)域的DC高表達(dá)CD80、CD86等共刺激分子，提示T細(xì)胞的有效激活依賴于DC的抗原呈遞功能。在肝癌研究中，scST揭示了“免疫排斥微空間”的形成機(jī)制：腫瘤細(xì)胞高表達(dá)CXCL12，招募Treg細(xì)胞在腫瘤浸潤前沿聚集，形成“免疫抑制屏障”，阻斷CD8+T細(xì)胞的浸潤。通過靶向CXCL12/CXCR4軸，可打破這一屏障，使T細(xì)胞浸潤量提升3倍，聯(lián)合PD-1抑制劑顯著抑制腫瘤生長。3神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的空間解析神經(jīng)系統(tǒng)具有高度復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)與細(xì)胞類型多樣性，scST為解析神經(jīng)元連接、神經(jīng)環(huán)路及神經(jīng)退行性疾病機(jī)制提供了新工具。3神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的空間解析3.1大腦皮層細(xì)胞類型與神經(jīng)環(huán)路的空間圖譜在人類大腦皮層中，scST成功繪制了初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層（M1區(qū)）的空間轉(zhuǎn)錄組圖譜，識(shí)別出106種神經(jīng)元亞型與非神經(jīng)元細(xì)胞亞型，并發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元亞型的空間分布呈現(xiàn)“層狀特化”：例如，第V層的Betz細(xì)胞高表達(dá)FOXP2、SLC17A7等基因，負(fù)責(zé)向脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元投射；而第III層的錐體細(xì)胞高表達(dá)SATB2、TBR1等基因，參與皮層內(nèi)環(huán)路連接。在果蠅嗅覺系統(tǒng)中，scST結(jié)合單細(xì)胞連接組學(xué)，揭示了嗅覺受體神經(jīng)元（ORN）與投影神經(jīng)元（PN）的“空間匹配”規(guī)則：ORN的軸突按表達(dá)受體類型投射到antennallobe的特定空間區(qū)域，PN的樹突則精準(zhǔn)匹配ORN的投射區(qū)域，形成“嗅覺圖譜”的空間基礎(chǔ)，為理解神經(jīng)環(huán)路的發(fā)育與功能提供了結(jié)構(gòu)依據(jù)。3神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的空間解析3.2神經(jīng)退行性疾病的空間病理特征阿爾茨海默?。ˋD）的核心病理特征是β-淀粉樣蛋白（Aβ）沉積與Tau蛋白過度磷酸化。scST發(fā)現(xiàn)，Aβ斑塊周圍的“反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞”在空間上形成“保護(hù)屏障”，其高表達(dá)APOE、CLU等基因，通過吞噬Aβ斑塊限制其擴(kuò)散；而斑塊遠(yuǎn)處的星形膠質(zhì)細(xì)胞則呈現(xiàn)“炎癥激活狀態(tài)”，高表達(dá)GFAP、IL1B等基因，促進(jìn)神經(jīng)元損傷。在帕金森?。≒D）研究中，scST揭示了黑質(zhì)致密部（SNpc）多巴胺能神經(jīng)元的“選擇性死亡”機(jī)制：存活的多巴胺能神經(jīng)元高表達(dá)抗氧化基因（如SOD1、NQO1），而死亡神經(jīng)元?jiǎng)t高表達(dá)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激基因（ATF4、CHOP），且死亡神經(jīng)元周圍的小膠質(zhì)細(xì)胞高表達(dá)TREM2，提示小膠質(zhì)細(xì)胞的吞噬功能與神經(jīng)元存活密切相關(guān)。4疾病機(jī)制研究與臨床轉(zhuǎn)化scST在疾病研究中的應(yīng)用，不僅深化了對(duì)病理機(jī)制的理解，更為疾病診斷、分型及治療提供了新的生物標(biāo)志物與靶點(diǎn)。4疾病機(jī)制研究與臨床轉(zhuǎn)化4.1感染性疾病中病原體-宿主互作的空間解析在新冠病毒（SARS-CoV-2）感染研究中，scST發(fā)現(xiàn)ACE2（病毒受體）在呼吸道中的表達(dá)呈現(xiàn)“空間異質(zhì)性”：II型肺泡細(xì)胞（AT2）和纖毛細(xì)胞高表達(dá)ACE2，成為病毒主要感染靶點(diǎn)；而ACE2+細(xì)胞周圍富集CD8+T細(xì)胞和巨噬細(xì)胞，形成“病毒感染-免疫應(yīng)答”的空間微環(huán)境。此外，重癥患者的肺組織中，ACE2+細(xì)胞與促炎因子（如IL6、TNF）的表達(dá)呈空間正相關(guān)，提示“細(xì)胞因子風(fēng)暴”的發(fā)生與病毒感染區(qū)域的免疫過度激活有關(guān)。在結(jié)核病研究中，scST揭示了結(jié)核分枝桿菌（Mtb）在肉芽腫中的“免疫逃逸”機(jī)制：Mtb感染的巨噬細(xì)胞位于肉芽腫中心，高表達(dá)PD-L1和TGF-β，抑制周圍CD8+T細(xì)胞的活性；而肉芽腫邊緣的成纖維細(xì)胞形成“纖維化屏障”，阻止T細(xì)胞浸潤，形成“免疫特權(quán)區(qū)”，為抗結(jié)核治療的靶點(diǎn)設(shè)計(jì)提供了新思路。4疾病機(jī)制研究與臨床轉(zhuǎn)化4.2臨床診斷與精準(zhǔn)治療的應(yīng)用前景scST在腫瘤診斷中展現(xiàn)出“分子病理”的潛力：傳統(tǒng)病理診斷依賴形態(tài)學(xué)，難以區(qū)分具有相似形態(tài)但分子機(jī)制不同的腫瘤亞型；而scST通過空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，可對(duì)腫瘤進(jìn)行“分子分型”，例如在乳腺癌中，基于空間基因表達(dá)譜將LuminalA型、LuminalB型、HER2型及基底細(xì)胞型在空間上的分布特征進(jìn)行可視化，為個(gè)性化治療方案選擇提供依據(jù)。在藥物研發(fā)中，scST可預(yù)測(cè)藥物療效與耐藥機(jī)制：例如，在EGFR突變肺癌中，scST發(fā)現(xiàn)EGFR抑制劑耐藥細(xì)胞位于腫瘤浸潤邊緣，高表達(dá)AXL、ME