醫學研究部 基因定序暨生化核心團隊

騰達行企業股份有限公司

空間轉錄組學的價值

單細胞轉錄組定序（scRNA-seq）的崛起，為生物醫學等各領域的研究開啟了更高維度的分析視野。藉由解析單個細胞層級的轉錄特徵，研究者得以精準識別組織內的異質性細胞組成，進而描繪細胞發育的時空路徑並進行功能性分析。這項技術在解讀癌症或不同疾病動態變化與分子調控機制方面發揮了關鍵作用，也為精準醫學奠定了深厚的分子特徵基礎。然而，scRNA-seq 在樣本製備過程中必須將組織解離，這導致細胞失去了原始空間結構中的物理座標。

單細胞空間組學（Single-cell Spatial Omics）的出現並非為了取代 scRNA-seq等單細胞技術，而是作為其功能的強力延伸。藉由單細胞與空間維度的深度整合，研究人員得以在組織原位（In situ）層級解構複雜的生物學議題，從鑑定特定病理狀態下的空間異質性（Spatial Heterogeneity），到分析鄰近細胞間的配體-受體交互作用以揭示免疫互動機制；亦或是重新構築複雜多樣的器官組織的精細分子圖譜，進而釐清細胞類型、組織架構與生物間的空間聯繫。這不僅能回答「細胞是誰」，更能精確回答「細胞在何處、與誰互動、在做什麼」，是未來精準醫學與藥物開發的重要基石。

空間轉錄組技術的演進與核心瓶頸

早期空間技術多採用固定直徑的物理網格或捕獲點陣列，然而，物理網格常與異質性高的生物細胞邊界不匹配，導致單一數據點包含多個細胞資訊，或單細胞訊號被物理像素切割。為解決邊界界定難題，研究者必須依賴複雜的Deconvolution或Segmentation演算法進行數據回推 (圖一)。然而這類的運算還是存在著缺陷，分割誤差常導致數據誤判，將鄰近細胞甚至不相關的分子錯誤分配給同一細胞，進而影響多項下游分析結果。此外，這類技術常面臨靈敏度大幅低於目前的單細胞定序，或是需要昂貴的專用儀器。

圖一

Slide-tags 技術的出現

為了追求「真正的」單細胞解析度，2023 年由 Broad Institute 的 Evan Macosko 與 Fei Chen 團隊於 Nature 發表了突破性的 Slide-tags 技術 (Russell et al., Nature 2024)，這項技術為空間研究帶來了前所未有的自由度。

Slide-tags 採用了一種巧妙的空間條碼（spatial barcodes）滲透策略，關鍵核心技術為 UV 光解標記短鍊核苷酸。將組織切片放置於含有不同空間條碼微珠的載玻片上，利用 UV 光觸發條碼釋放，釋放出的條碼核苷酸會物理性地擴散進入原生組織環境中的每個細胞核（Nuclei）中 (圖二)。這意味著空間資訊在組織解離前就已經標記在細胞核內，在保持細胞完整性的狀況下，即可無縫銜接進入任何主流的單細胞定序流程。

圖二

Slide-tags 技術在多個面向上優於傳統方法，包含高品質轉錄組數據，其產出的基因豐度與UMI數量和單細胞定序完全一致，不因加入空間資訊而犧牲偵測靈敏度。其次是極高的定位精度，利用釋出的空間條碼完成類似GPS概念般清晰的定位，讓研究者能以真正的單細胞解析度來重構複雜組織。研究亦成功展示了該技術的多物種相容性，在人類、小鼠等多種組織樣本中的應用潛力。為滿足更廣泛的研究需求，Slide-tags 技術的發明人成立了 Curio Bioscience，並將該技術商品化為 Trekker 空間定位試劑，作為標準化工具推向市場。其後，該公司於 2025 年初被 TaKaRa 收購。

TaKaRa Trekker™ Spatial Mapping Kit空間定位試劑

藉由在原位組織中為每個細胞核加上獨特的空間條碼，TaKaRa Trekker 可無縫整合至既有的主流單細胞定序流程，比如10X genomics或 BD Rhapsody，建立具備「真正單細胞解析度」的空間圖譜，同時保留高度靈敏的細胞層級資訊 (圖三)。其操作簡便，無需倚賴複雜儀器，無需細胞類型解構（cell-type deconvolution）以及細胞分割（cell segmentation）等步驟，即可準確還原細胞的空間位置。

• 無縫銜接單細胞分析流程 - 可直接對接10X genomics、BD Rhapsody、Parse Bio等平台(圖四)

• 真正單細胞解析度 - 不需要deconvolution、不需要segmentation、不依賴複雜演算法

• 流程快速簡單 - 約1小時完成，無需特殊儀器

• 保留單細胞數據品質 - 維持高靈敏度與解析力

• 應用更廣 - 可延伸至染色質可及性（chromatin accessibility）與免疫受體庫（immune repertoire）分析

圖三

圖四、TaKaRa Trekker目前可對接單細胞平台與應用

單細胞層級的空間組學運用範例

以成年小鼠腦細胞核的空間定位數據為例。圖五為使用 10 mm x 10 mm 的 Trekker tile對成年小鼠腦組織切片中 25 µm 大小的 27,275 個細胞核進行空間定位。UMAP（左上）中的每個點代表一個細胞核，與空間圖（右上）1:1 對應，其中的 ”點”是根據 snRNA-seq 數據的基因表現模式進行顏色編碼，亦可將腦組織切片的特定特徵和已知細胞類型特別標示出來（從左下至右下分別為皮質層 / 海馬迴 / 視丘、下視丘、紋狀體 / 寡突膠質細胞）。

https://curiobioscience.com/curio-trekker/

圖五

TaKaRa Trekker技術不僅解決了傳統空間組學的解析度瓶頸，更透過捐贈式標記Donation-based Tagging維持了單細胞數據的最高靈敏度。這項技術將幫助科研人員在單一實驗中獲取精確的物理座標與多體學數據，推動疾病機制與發育生物學等領域的突破性發現。若同仁有製作需求，歡迎隨時與我們聯繫，我們可以提供開發與製作上的協助(請洽: 吳侑靜博士 / 分機266680)。

參考文獻:

1. Russell, A. J., Weirather, J. L., Helms, A. D., Gollub, J., Hayat, S., Shin, P., ... & Chen, F. (2024). Slide-tags enables single-nucleus barcoding for multimodal spatial genomics. Nature, 626(8001), 1052-1058.https://doi.org/10.1038/s41586-023-06837-4

TOP  　

---