哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育是一個復雜的過程，在空間和時間上受基因表達的精確調控。對驅動神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的轉錄組研究，傳統(tǒng)方法主要采用低靶標數(shù)的原位技術或者對離體胚胎進行單細胞轉錄組測序，但隨著空間多組學技術的迅猛發(fā)展和成熟應用，目前研究人員可以實現(xiàn)在保留組織空間結構的基礎上，對組織切片中任何感興趣的區(qū)域（ROI）進行全轉錄組（～2萬個基因）或者蛋白質組（570多種蛋白質）的檢測和探究。

在2023美國神經(jīng)學年會（SfN）上展示的一項研究中，研究人員利用GeoMx®空間多組學技術對健康C57BL/6小鼠胚胎E9-E15四個時間點上的小鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）和腸道神經(jīng)系統(tǒng)（ENS）的特定解剖學組織亞結構進行了形態(tài)表征和全轉錄組檢測分析。研究人員觀察到不同空間位置的組織區(qū)域具有特異性的表達譜特征。這些結果為發(fā)育中的中樞神經(jīng)系統(tǒng)和腸道神經(jīng)系統(tǒng)關鍵結構的基因表達提供了豐富的時空圖譜，為神經(jīng)疾病尤其是神經(jīng)發(fā)育障礙研究提供了重要參考。
 

研究摘要

研究人員利用GeoMx® DSP對重點關注的神經(jīng)組織區(qū)域中的75個感興趣區(qū)域（ROI）進行了全轉錄組的檢測分析。使用開源的GeomxTools R軟件包進行了LMM差異表達檢測和相關性分析。

樣本組織：分別處于E9、E11、E13和E15期的四只健康C57BL/6小鼠胚胎的新鮮冷凍矢狀組織切片（5µm厚），共17個組織樣本。

檢測方法：GeoMx小鼠空間全轉錄組檢測方案（GeoMx® Mouse WTA）：包含~20,000個蛋白編碼基因。

組織形態(tài)學標記：熒光標記的β3微管蛋白和p63蛋白來分別標記神經(jīng)元和上皮細胞。

GeoMx® DSP工作流程

定量試劑：針對每個靶標RNA都設計了特異性探針，探針序列包括與靶標RNA特異性結合的捕獲序列；與靶標RNA一一對應的獨特分子標識條碼；以及將這兩段偶聯(lián)在一起的光可裂解的鏈接子。

成像試劑：熒光標記的抗體或RNA，用于展示組織的形態(tài)學特征，標記組織中特定的細胞類型或組織區(qū)域。

GeoMx采用了和標準免疫組化或原位雜交方法類似的樣本處理流程。具體將成像試劑（帶有熒光的形態(tài)學標記）、定量試劑（所有靶標的特異性探針）與組織切片進行共雜交。根據(jù)形態(tài)學標記所展現(xiàn)出的組織結構可以指導ROI的圈選。GeoMx® DSP儀器內置的百萬級微鏡陣列可以被數(shù)字化調控形成特定的反射面，進而將自下而上發(fā)射的紫外光反射為契合每個ROI形狀的紫外光束，精準地照射至該ROI區(qū)域，使得該區(qū)域中所結合的定量探針中的光可裂解鏈接子斷裂，其后端偶聯(lián)的分子標識條碼得以釋放，并及時地被上端極細的微針吸取收集至收集板特定的孔中。當所有的ROI照射和收集完畢后，進行測序文庫構建和高通量測序獲取每個靶標的表達量。

從新鮮冷凍固定組織圈選感興趣區(qū)域（ROI）

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，研究人員在前腦的三個矢狀切面上選取了25個ROI，并確定了E9發(fā)育期在端腦和間腦區(qū)域中表現(xiàn)出顯著差異表達的83個基因。這些基因中包含對神經(jīng)元命運決定至關重要的形態(tài)發(fā)生因子。

與中樞神經(jīng)系統(tǒng)相比，腸道神經(jīng)系統(tǒng)的研究相對較少，因此研究人員在6個矢狀切面腸道神經(jīng)元層上額外選擇了20多個組織區(qū)域（ROI），進行了進一步分析。研究人員觀察到，不同ROI中廣泛的轉錄差異取決于它們在腸道中的位置，也就是說腸道中不同空間位置的組織區(qū)域具有特異性的表達特征。

每個時間點的組織切片示例。彩色幾何圖形表示所分析的感興趣區(qū)域（ROI），一種顏色表示一個獨特的ROI。從17種組織中對圈選的733個感興趣區(qū)（ROI）進行分析：軀體、大腦、十二指腸、食道、前腸、心臟、腎臟、肢芽、肺、中腸、神經(jīng)管、胰腺、咽部、胎盤、皮膚、胃和氣管。其中75個腦、神經(jīng)管和腸ROI主要是神經(jīng)細胞或部分神經(jīng)細胞。

ROI大小范圍從1,400到180,000 µm2不等，平均每個ROI包含288個細胞。神經(jīng)ROI范圍從4,000到110,000 µm2不等，平均每個ROI包含472個細胞。
 

神經(jīng)元基因表達

對精選的1,000個重點關注基因在75個ROI中的表達分析

發(fā)育中端腦和間腦的轉錄差異

E9階段間腦（MES，n=8 ROIs）和端腦（TEL，n=10 ROIs）之間的基因表達差異。

與神經(jīng)元發(fā)育和分化有關的基因

腸道神經(jīng)系統(tǒng)及其周圍細胞的基因表達

顯示了E13階段腸道中涉及神經(jīng)元分化的四個基因的空間分布。每個ROI均以歸一化基因表達量進行著色，箭頭指向神經(jīng)元豐富的最外層 ROI。中腸ROI顯示在每張圖像的左上部分，胃ROI顯示在每張圖像的右下部分。

小結

GeoMx® DSP可對小鼠胚胎多個發(fā)育時期的多個組織中700多個感興趣區(qū)域進行分析；

與胚胎神經(jīng)元發(fā)育和分化有關的部分基因在E9期端腦和間腦區(qū)域之間出現(xiàn)差異表達；

通過分析整個轉錄組，還得到了一些意想不到的新發(fā)現(xiàn)，比如發(fā)現(xiàn)Irx5等基因在不同腦區(qū)之間有不同的表達。該基因已知有助于產(chǎn)后神經(jīng)發(fā)生，但在胚胎腦發(fā)育過程中卻未被描述過；

在ENS神經(jīng)元和鄰近細胞中，觀察到各組織之間存在廣泛的轉錄差異，這些組織共同構成了腸道。

GeoMx® DSP 空間多組學分析系統(tǒng)

GeoMx® Digital Spatial Profiler（DSP）空間多組學平臺結合了組織影像分析和原位定量技術，可在展示全局組織結構的基礎上，進一步實現(xiàn)從復雜組織中對細胞亞群或特定結構的精準分析。在獲得高分辨率的樣本空間信息的同時實現(xiàn)高靶標蛋白（>570種蛋白質）和全轉錄組（~20000個基因）空間原位表達譜的精準獲取。最新的DSP工作流程可以支持在一張組織切片上同時檢測蛋白質和RNA的空間原位表達信息。GeoMx® DSP兼容多種組織樣本類型（如FFPE、新鮮凍存樣本等），成為基礎科研、轉化醫(yī)學研究和臨床實踐探究中強大有力的工具，使不同領域（如腫瘤學、免疫疾病、神經(jīng)科學、藥物研發(fā)等）的研究人員能夠深入洞察組織微環(huán)境、功能亞結構、免疫系統(tǒng)作用機制和生物標志物發(fā)掘，滿足不同階段的研究和應用需求！