Xenium 空间原位单细胞分析

Xenium 空间原位单细胞分析

逆耳生物公司提供10X Xenium组织原位单细胞分析服务。Xenium原位分析技术直接检测并得出组织切片中数百种、甚至几千种RNA靶点的精细细胞定位，为研究人员提供了详细的基因表达模式图。

一、服务优势

1. 在面积最大可达到1.2 x 2.4 mm的组织切片中，精确定量所有单细胞中的目标转录本的表达量。

2. 直接获得目标转录本精确到亚微米级的空间定位。

3. Xenium处理对切片的损伤不大，做完Xenium分析后的切片，还可以再做H&E染色、或其它染色，这方便了获得同一张切片的其它图像信息。

二、工作原理

Xenium用的芯片，大小接近于一张普通的载玻片。样本切片被放置在芯片上。

Xenium的探针，设计成一个探针的两端与目标mRNA的序列互补，并且在这个探针的两端都杂交到目标mRNA上之后，探针的两端正好是紧挨在一起的，将来可以被连接酶连接成环。

同时，探针上还有一段特别的标签序列，被称为“gene-specific barcode”，这段特别的序列又分几截，每一截都是一段可以与后面要用的某种荧光核酸链相互补的，可以通过杂交后发出的荧光信号对这一截序列加以识别。

用这个探针与组织切片进行杂交，探针就会杂交到目标基因mRNA所在的相应位置上。

接着，加入依赖RNA模板的DNA连接酶，在目标mRNA起到连接模板的作用下，连接酶把探针的两端连接起来，这样，探针DNA变成了一个环状的、单链的DNA链。然后，加入DNA聚合酶和引物，引物吸附到环状的探针链上，聚合酶沿着环状的DNA探针进行滚环复制，复制出一条长链，这个长链可以包含多达几百个拷贝。这条长链圈绕起来，形成一个毛线团一样的东西。做这个滚环复制的目的是让探针序列扩增几百倍，以增强后面的荧光信号的强度。

然后，用分别带不同颜色的荧光基团的、有特定序列的寡核苷酸链，对样本进行杂交，一共有4种颜色的荧光，这些荧光核酸链会是与探针上的某一截序列发生杂交。杂交之后，被杂交的这个位置在激发光的照射下就会发出相应颜色的荧光。

并且，如前面所说的，探针是经过的滚环复制的，所以一团探针上会有几百个可杂交的位置，这几百个可杂交的位置都分别被荧光核酸链杂交上，那探针所在的位置发出的荧光强度就会增强几百倍。

而且，因为每种荧光核酸链都有不同颜色的荧光基团，经过一轮荧光杂交之后，不同的探针就会分别发出4种颜色荧光中的一种荧光颜色，或者没有目标序列就不发荧光。

荧光显微镜把整个切片的各个位置荧光信号拍照留存，然后把第一轮的荧光核酸链洗掉，接着用第二轮的荧光核酸链再次进行杂交，第二轮的荧光核酸链会针对与第一轮不同的标签序列，切片上的探针被第二轮的荧光核酸链杂交之后，再拍照保留第二轮的杂交荧光信号，然后再洗掉第二轮的荧光核酸链，接着再进行第三轮的杂交。

这样，经过若干轮的杂交之后，每个探针就会先后展现出一串特有的荧光编码，再经把原来设计探针标签序列所应该对应的荧光编码，和拍照得到的实际的荧光编码进行比对，就可以知道切片上各个位置发出荧光的是哪一种探针，以及这个探针所针对的基因。

再经把原来设计探针标签序列所应该对应的荧光编码，和拍照得到的实际的荧光编码进行比对，就可以知道切片上各个位置发出荧光的是哪一种探针，以及这个探针所针对的基因。

最后就可以推断出切片上各个位置出现的是哪种基因的mRNA。也就得到了原位的转录组的信息。

下机后的数据可用10X公司开发的专用软件做进一步的分析。

三、实验效果

1. 得到切片的经DAPI染色，可以确定细胞核所在的位置。

DAPI染色得到的形态图

2. 把转录本叠加到DAPI染色的形态图上。

叠加了转录本信息的DAPI形态图

原位转录组所测到的大量转录本，在空间上表现为一个一个的点，把所有检测到的转录本还原到切片的空间位置上，就得到了上面这张原位转录本的图像。

3. 在图像上做单细胞分割

软件勾出了每一个单细胞的边缘

把DAPI染色显示出的细胞核所在位置的结果，与转录本的位置结果相结合，再通过AI计算，得出细胞的边界位置，然后得到细胞分割的图像。图中的淡蓝色线，把组织中的细胞进行了精细的分割。

4. 细胞聚类的结果

细胞聚类结果的展示图

经过细胞聚类，得到若干种细胞类别。每一种细胞类别，它的细胞边界都分别用一种特别的颜色进行标示。图中彩色的细胞群，就是经过细胞聚类之后，每个细胞都被标上了相应细胞种类颜色之后的结果。

5. 细胞表型分析结果

细胞表型分析结果

根据每个细胞中表达的转录本，可以确定细胞的种类和细胞的表型。确定的表型用颜色勾勒，得到上面这个细胞表型分析结果图。

6. 空间分析结果

空间分析得到的细胞UMAP图

经过空间分析，可以得到细胞的种类、数量、表型的结果。用UMAP图可以充分展示这些结果。

各细胞簇的基因表达表格

用Excel表格来展示经过空间分析后，得到的各个细胞簇目标基因的表达水平。横轴排列的是每一个细胞簇；纵轴排列的是每一个目标基因；表格中列出了相应细胞簇中目标基因的表达水平。

四、检测 Panel

10X 公司有大量现成的检测 Panel 可供选择，客户还可以根据自己的需求定制 Panel。

五、参考文献

1. Katy Vandereyken, Alejandro Sifrim, et al. Methods and applications for single-cell and spatial multi-omics [J] Nature Reviews Genetics,Volume 24, August 2023, 494-515;

2. Amanda Janesick, Robert Shelansky, et al. High resolution mapping of the breast cancer tumor microenvironment using integrated single cell, spatial and in situ analysis of FFPE tissue [J] bioRxiv, doi.org/10.1101/2022.10.06.510405;