CosMx SMI 单细胞空间原位分子成像系统

CosMx SMI 单细胞空间原位分子成像系统是一款具有突破性的单细胞空间原位成像平台，结合了超高分辨率成像技术和多靶标检测能力，可在单细胞和亚细胞水平对组织中的分子进行分析。

• 功能特点：

• 超高分辨率成像：具备真正意义的单细胞甚至亚细胞分辨率，可精细观察细胞内分子分布和细胞间差异。利用多模态细胞分割方法，综合细胞核、细胞膜等多种形态学标记成像和机器学习增强技术，能精准识别和界定单细胞边界。

• 超多靶标检测能力：可在单张切片上以单细胞分辨率分析 6000+RNA 靶标，甚至可实现全转录组（约 19,000 种 RNA）分析，还能对 64 种以上蛋白质靶标进行单细胞分辨率的空间定位和表达定量。此外，支持定制添加额外的 RNA 或蛋白质靶标，满足不同研究需求。

• 强大的分析功能：能够绘制单细胞空间图谱，定义细胞类型、细胞状态、组织微环境表型以及基因表达网络。有助于研究细胞间相互作用，解析由配体 - 受体相互作用控制的生物学过程。还可用于空间生物标志物发现，量化治疗背景下的基因表达变化，识别具有空间背景的单细胞亚细胞生物标志物。

• 广泛的样本兼容性：支持多种样本类型，包括福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）、新鲜冷冻（FF）、组织芯片（TMA）、类器官等，适用于人类和小鼠样本检测。

• 简便的样本制备与操作：采用标准的病理载玻片和简便的免疫组化样本制备方法，无需酶介导，无需进行 cDNA 合成或核酸扩增，可直接应用于标准病理切片。仪器设定操作简单，支持灵活选择扫描区域。

• 高度自动化集成：是一个高度自动化的集成系统，具备成熟的原位杂交循环成像流程、高分辨率成像信号采集、交互式数据分析和可视化软件。其稳定、高效的原位杂交循环成像化学方法，通过光漂白方式对样本进行无损信号清除，支持更多轮循环，实现超多重靶标检测分析。

• 技术原理：针对目标基因设计 “原位杂交探针”，探针分两段，第一段结合目标基因，第二段为读出域。报告探针一部分与读出域互补杂交，另一部分与荧光染料结合。基因检测一次完整的探针杂交过程共包括 16 轮，每轮杂交都会有 4 种颜色的荧光染料。经过 16 轮杂交，每个 RNA 分子会读出一个特定的荧光 Barcode 序列，通过查询对照表可对空间原位基因进行定性。蛋白检测原理与之相似，用带有核酸标签链的抗体识别目标蛋白，抗体结合蛋白后，标签核酸链与报告探针以及荧光染料分子杂交，发出荧光信号，同样通过多轮循环杂交得到荧光 barcode 序列，查询对照表鉴定蛋白种类。

• 分析流程：首先进行样本制备，可使用新鲜冷冻、福尔马林固定石蜡包埋等多种类型组织样本，采用标准病理载玻片和简便的免疫组化样本制备方法，无需酶介导，无需进行 cDNA 合成或核酸扩增。然后将样本放置于仪器中，利用仪器的全自动荧光显微镜、微流控系统等部件，通过原位杂交循环成像技术和自动化显微成像技术进行成像，实现单细胞分辨率组织原位上的多靶标 RNA 和蛋白质检测1。最后，通过数据分析及可视化软件对获取的图像数据进行分析，可分析细胞类型、细胞间相互作用、基因表达差异等，绘制单细胞空间图谱等。

• 应用领域：

  • 肿瘤生物学：以单细胞分辨率揭示组织空间表型，开展肿瘤微环境研究，解析肿瘤异质性，发现或验证生物标记物，为优化临床策略提供重要信息。

  • 神经科学：构建大脑空间图谱，识别不同神经细胞类型、基因表达空间模式及相互作用，揭示神经退行性等神经疾病的发生发展机制，开发潜在干预或治疗方案。

  • 免疫学研究：在单细胞和亚细胞水平上展示免疫全景，评估免疫细胞群体的异质性，及其与疾病进展的关系。

  • 药物研发与评估：评估药物对细胞和组织的影响，分析药物作用机制，为药物研发和临床应用提供支持。

  • 生物标志物发现：对治疗背景下的基因表达变化进行量化，识别具有空间背景的单细胞亚细胞生物标志物，为疾病诊断和治疗提供靶点。

    CosMx SMI 单细胞空间原位分子成像系统在肿瘤研究中应用广泛，以下是一些具体案例：

     

    揭示乳腺癌肿瘤异质性和基质动态变化：在 2025 年 AACR 海报中，有研究利用 CosMx WTX 空间单细胞全转录检测方案，对浸润性导管癌（IDC）的福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）样本进行分析。基于全转录组数据，通过半监督聚类方法进行细胞分型和空间邻域分析，确定了原发性肿瘤区域和浸润性肿瘤区域，且每个区域又有不同子区域。研究发现 T 细胞亚群等基质细胞表现出不同空间表达模式，还通过扰动分析确定了各空间域中受扰动的标记基因和通路，如 S100A7 在肿瘤核心区升高促进血管生成，ALCAM 在肿瘤外围富集支持侵袭等，为开发空间生物标记物和治疗靶点奠定了基础。

    发现肿瘤免疫逃逸新机制：有研究团队使用包括 CosMx 在内的多种空间测序和成像手段，证明了三群 “癌 - 胚” 细胞间的空间共定位关系，且它们共同限定在 “癌 - 胚” 巢中，有助于深入理解肿瘤免疫逃逸机制。

    阐释肺腺癌肿瘤消退机制：帕多瓦大学的研究团队利用 CosMx 技术研究 KRas - G12D 抑制剂消灭肿瘤的过程中，机体的响应和肿瘤消退机制。研究人员对诱发肺腺癌的小鼠使用 KRas 突变体的分子抑制剂，然后通过 CosMx 小鼠 1000 重 RNA 单细胞空间转录组方案进行检测分析。结果发现，CosMx 能鉴定出单细胞测序数据中的细胞类型，还为细胞类型和状态增加了组织空间信息，如 2 型肺腺癌细胞主要出现在肿瘤边缘，1 型则在肿瘤肿块内部等。同时，研究人员还通过该技术绘制了细胞 - 细胞相互作用的空间图谱，分析了抑制致癌 KRAS 活性对肺部肿瘤的影响。

    揭秘肿瘤微环境新细节：德克萨斯大学 MD Anderson 癌症中心的研究团队在《Nature Medicine》发表的研究中，利用 CosMx 技术对复杂肿瘤微环境中的 T 细胞转录组状态进行解析。研究发现肿瘤微环境中存在 T 细胞应激反应状态（TSTR），并通过 CosMx 技术确认了它们在组织原位中的空间定位和分布，其主要集中在淋巴细胞聚集区或肿瘤边缘潜在的三级淋巴结构中。TSTR 细胞以热休克基因的高表达为特征，可能在免疫治疗抵抗中起到重要作用，为肿瘤治疗提供了潜在靶标。

     

    CosMx SMI 单细胞空间原位分子成像系统的检测原理基于原位杂交循环成像技术，通过设计特异性探针与目标分子结合，利用荧光信号实现对 RNA 和蛋白质的单细胞和亚细胞分辨率原位检测与定量。具体如下：

     

    RNA 检测原理：针对目标基因设计 “原位杂交探针（ISH）”，该探针分为两段，第一段是针对目标基因的结合区域，可与目标 RNA 特异性结合，第二段为读出域，包含四段不同的序列。报告探针一部分与读出域互补杂交，另一部分与荧光染料结合。基因检测一次完整的探针杂交过程共包括 16 轮，每轮杂交都会有 4 种颜色的荧光染料。在一轮杂交中，若 ISH 探针与特定的报告探针和荧光染料杂交，则发出相应颜色的荧光，未杂交则不发荧光。经过 16 轮杂交，每个 RNA 分子会形成一个特定的荧光 Barcode 序列，通过查询预先设计好的基因与 barcode 序列的对照表，就可以对空间原位基因进行定性，同时还可根据荧光信号强度等对 RNA 进行定量。

    蛋白质检测原理：原理与基因检测相似，用带有核酸标签链的抗体来识别目标蛋白，抗体相当于基因检测探针的结合区域，核酸标签链相当于读出域。抗体结合到目标蛋白上后，标签核酸链与报告探针以及荧光染料分子进行杂交，发出荧光信号。同样通过多轮循环杂交，得到荧光 barcode 序列，查询蛋白与 barcode 序列的对照表，从而鉴定原位检测到的荧光点的蛋白种类和定量分析。

     

    CosMx SMI 单细胞空间原位分子成像系统具有多靶标检测、高分辨率成像、样本兼容性强等优势，具体如下：

     

    超高分辨率成像：具备真正意义的单细胞甚至亚细胞分辨率的空间分析能力，可精准呈现细胞内分子分布细节，有助于深入研究细胞功能和机制。

    多靶标检测能力强：能够对组织切片中约 19,000 种 RNA 和 64 种以上蛋白质分子进行原位成像，可在单张切片上以单细胞分辨率分析 6000+RNA 靶标，甚至全转录组，支持更精细的细胞分型与更全面的生物学通路剖析。

    样本兼容性好：兼容福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）、新鲜冷冻（FF）、组织芯片（TMA）、类器官等多种样本类型，方便研究人员利用不同来源的样本进行研究。

    检测灵敏度高：可有效检测低表达基因，能在单细胞水平捕捉低拷贝数基因转录本，为研究一些微量表达的基因提供了可能。

    分析功能全面：可绘制单细胞空间图谱，详细展示细胞邻域和组织微环境，支持细胞配受体检测，有助于深入研究细胞间相互作用、细胞通讯和细胞状态，还可用于空间生物标志物发现等多种研究。

    样本制备简单：采用标准的病理载玻片和简便的免疫组化样本制备方法，无需酶介导，无需进行 cDNA 合成或核酸扩增，精简了工作流程，减少了实验操作步骤和时间。

    自动化程度高：是一个高度自动化的集成系统，具备成熟的原位杂交循环成像流程、高分辨率成像信号采集、交互式数据分析和可视化软件，操作相对简便，降低了人为误差。

    成本效益高：基于 CosMx 成像技术的单细胞检测成本比传统单细胞测序方法低数十倍，可在较低成本下实现较高的细胞通量，能让生物制药行业等以更高的效率和性价比加速药物发现和开发。

     

    以下是一些关于 CosMx SMI 单细胞空间原位分子成像系统的研究文献资料：

     

    《使用空间分子成像技术对人 FFPE 组织进行整体编码蛋白基因亚细胞成像》4：Bruker-NanoString 团队在 bioRxiv 预印本上发表的此篇文章，介绍了 CosMx Whole Transcriptome（WTx）技术可在 CosMx 空间分子成像仪上以单分子分辨率检测 18,936 种人类编码基因，实现了转录组深度与空间信息的结合。研究分析了结肠、胰腺等 6 种不同组织类型的 FFPE 切片，验证了该技术在多种复杂样本中的有效性。

    《Presence of onco - fetal neighborhoods in hepatocellular carcinoma is associated with relapse and response to immunotherapy》：2024 年 1 月，上海市免疫学研究所科学家团队联合澳大利亚科廷大学及新加坡国家癌症中心科学家团队在《Nature Cancer》杂志在线发表此论文。研究利用 CosMx 单细胞空间原位分子成像技术等多种前沿工具，系统揭示了 “癌 - 胚” 重编程过程在肝细胞癌复发及抵抗免疫治疗过程中的重要作用，证明了 “癌 - 胚” 细胞间的空间共定位关系和 HCC 肿瘤内 “癌 - 胚” 巢的存在。

    【2025AACR 海报】「强强联合」以纳米级超高分辨率进行空间全转录组 CRISPR 筛选：该海报展示了 CosMx 在高通量 CRISPR 筛选中的实用性，它能准确识别引入的 CRISPR 模块，并将基因编辑与组织空间背景下的全转录组反应相关联。CosMx WTX 空间单细胞全转录组方案可对几乎整个人类蛋白编码基因进行亚细胞分辨率成像，同时保留细胞的空间信息，在癌症基础研究与转化应用之间架起了桥梁。

     

    此外，在 2023 年 AACR 大会上，有 60 份研究摘要主要使用了 CosMx SMI 单细胞空间分子成像系统。相关研究利用该系统在单细胞的高分辨率水平下实现对超多蛋白质的表达检测，追踪病人转移性肿瘤在接受个体化治疗过程中的组织空间迁移痕迹并分析机制。