GeoMx DSP 数字空间多组学分析系统

GeoMx DSP 数字空间多组学分析系统是美国 NanoString 公司开发的一款基于探针杂交的检测设备。它结合了组织影像分析和原位定量技术，可在保留组织形态学特征的前提下，实现对组织切片中蛋白质和 RNA 的空间原位表达量分析。

• 功能特点：

  • 高分辨率空间信息获取：能提供高分辨率的空间信息，让研究人员可在复杂组织的细胞和亚细胞水平分析基因表达模式，有助于理解不同细胞类型之间的功能组织和相互作用。

  • 多靶标检测：蛋白质检测可达 98 重，RNA 可实现全转录组（约 20000 多种）检测。也可在一张组织切片上同时检测不超过 96 种蛋白质的空间表达，或同时检测 1000 种 RNA 分子。

  • 多种样本类型兼容：可检测新鲜组织、石蜡包埋的 FFPE 以及组织芯片等多种样本类型，对珍贵样本可进行非破坏性处理，且样本可重复使用。

  • 灵活的 ROI 选择：具备五种不同的感兴趣区域（ROI）圈选方式，ROI 大小为 10-800μm，同一张切片上可圈选的 ROI 数目不限，能从复杂组织中对细胞亚群或特定结构进行精准分析。

• 技术原理：基于 NanoString 的 nCounter 条码技术，依靠与光可裂解寡核苷酸标签偶联的抗体或 RNA 探针进行检测。探针与载玻片上的 FFPE 组织切片杂交后，通过紫外线照射从组织的离散区域释放寡核苷酸标签，然后使用标准的 nCounter 分析对释放的标签进行定量，并将计数映射回组织位置，从而得分析物丰度的空间分辨数字图谱。

• 分析流程：先应用高复合寡核苷酸标记的抗体混合物和形态学标记物，然后使用可见光波长的低复合成像来确定组织 “地貌”，选择感兴趣区域（ROI）进行高复合分析，接着在选定的 ROI 处通过紫外线释放寡核苷酸标签，将释放的标签存储在微孔板中，进行索引并与条码杂交，最后使用 nSolver 高级分析软件对数据进行分析。

• 应用领域：广泛应用于病理空间原位大规模基因表达分析、转化医学、癌症干细胞、miRNA、疾病分子检测等方面的研究，可用于实时监控肿瘤的发生发展、药物靶向代谢性疾病、基因的表达、病理空间原位信息等。

• GeoMx DSP 数字空间多组学分析系统在肿瘤研究等领域有广泛应用，以下是一些具体案例：

• 解析结直肠癌发生发展机制：研究人员选取 8 例 pT1 结直肠癌患者样本，运用 GeoMx DSP 空间转录组技术等进行分析。通过比较不同组织空间区域的基因表达谱，鉴定出上皮细胞和基质细胞中的差异表达基因。发现 CRC 发展过程中，巨噬细胞从促炎症的 HLA-DR+CD204 - 亚群转变为 HLA-DR-CD204 + 免疫抑制亚群，同时 CD47/SIRPα 信号轴上调，确定了与进展相关的特异性生物标志物及潜在免疫治疗靶标 CD47-SIRPα。

• 研究食管鳞癌早期诊断生物标志物：针对食管鳞癌，研究者利用 GeoMx DSP 空间转录组技术，对 11 名早期患者的组织样本进行检测。发现 TAGLN2 在肿瘤中表达显著增加，而 CRNN 的表达水平随病情进展而降低。通路富集分析显示细胞周期和 p53 信号通路的富集随 ESCC 进展而增加，免疫细胞浸润分析表明成纤维细胞和巨噬细胞在进展过程中增多，证实 TAGLN2 及 CRNN 可作为食管鳞状癌前病变发展为 ESCC 的风险候选生物标志物。

• 揭示肺腺癌进展及空间异质性：研究选取 10 例早期肺腺癌患者，采用 GeoMx DSP 空间蛋白组技术，并结合 WES、RNA-seq 等方法。发现从鳞状到实体状肺癌转变由表观遗传和转录重编程驱动，与肿瘤免疫浸润相关。利用该技术分析还发现实体肿瘤中心免疫浸润水平低于外围，外围肿瘤细胞 ki67 表达更高，核心区免疫细胞富集免疫抑制效应因子 Tregs 标记物，为肺腺癌肿瘤内空间异质性提供了详细分子图谱。

• 分析小细胞肺癌瘤内异质性：中国医学科学院肿瘤医院和温州医科大学的团队，利用 GeoMx DSP 技术对 25 例小细胞肺癌患者的 79 个肿瘤特异性区域进行空间转录组分析。基于基因表达模式将区域分为高、中、低异质性表型，不同表型免疫特征差异显著。研究还根据异质性将患者分组，发现低复杂异质性患者生存率更高，并开发了 ITHtyper 机器学习模型用于异质性分类和风险分层，该模型在免疫治疗队列中具有良好的预后预测能力。

• 剖析三阴性乳腺癌血管分子特征：为了解三阴性乳腺癌（TNBC）组织中肿瘤内皮细胞与正常邻近内皮细胞的分子谱差异，研究人员应用 GeoMx DSP 进行无偏全转录组空间图谱分析。结果发现，两者之间有 2412 个基因存在差异表达，通路富集显示与细胞 - 细胞、细胞 - ECM 粘附等相关的基因组得到富集，揭示了肿瘤相关血管的独特分子特征和信号通路，为 TNBC 预后和抗血管生成治疗潜在靶点研究提供了基础。

• GeoMx DSP 数字空间多组学分析系统基于 NanoString 的 nCounter 条码技术，依靠与光可裂解寡核苷酸标签偶联的抗体或 RNA 探针进行检测。其具体检测原理如下：

   

• 探针设计：

  • 对于 RNA 检测，探针由探针序列、索引序列和 UV 连接点三部分组成。探针序列可与目标 mRNA 互补结合；索引序列包含正向和反向 PCR 引物结合位点，用于 NGS 建库过程中的序列扩增和接头连接，还包含用于探针丰度定量的 14nt UMI 序列和用于鉴定探针对应基因的 12nt probe ID；UV 连接点连接探针序列和索引序列，可在紫外照射下断开。

  • 对于蛋白质检测，将探针序列替换为抗体，通过抗体识别和靶向蛋白，再依靠索引序列完成定量。

• 杂交与标记：将组织样本贴片后，利用带有光可裂解寡核苷酸标签的探针 / 抗体和免疫荧光标记抗体对样本进行孵育，使探针 / 抗体与组织中的目标 RNA 或蛋白质特异性结合，同时免疫荧光标记抗体用于显示组织的形态学特征。

• 感兴趣区域选择：通过显微扫描获取荧光标记图像，根据组织形态或研究需求，使用软件以多种方式（如几何形状、细胞类型特异性、轮廓等）圈选感兴趣的区域（ROI），ROI 大小可低至单细胞水平。

• 标签释放：对选定的 ROI 进行紫外光照射，切断 UV 连接点，使寡核苷酸标签从探针 / 抗体上释放出来。

• 定量分析：释放的标签可通过两种方式进行定量。一种是利用 nCounter 系统，将荧光信号和索引序列直接杂交，通过荧光信号顺序确定索引序列对应的基因 / 蛋白信息，直接计数荧光信号作为表达量定量结果，此方法更适合蛋白组定量；另一种是采用 NGS 测序，将索引序列用于文库构建，通过与 probe ID 库比对和 UMI 来完成对基因的定量，更适合全转录组定量。最后，根据标签的计数和其对应的空间信息，生成分析物丰度的空间分辨数字图谱，从而得出目标分子在组织特定区域的表达情况。

  与其他组织分析系统相比，GeoMx DSP 具有分辨率高、检测通量高、样本兼容性好等优势，具体如下：

• 高分辨率空间分析：可提供细胞和亚细胞水平的高分辨率空间信息，能帮助研究人员清晰了解不同细胞类型之间的功能组织和相互作用，这是许多其他组织分析系统难以达到的。

• 靶向精准分析：最大特色在于 “靶向性”。它融合多重免疫荧光技术，通过对切片的多重免疫荧光染色了解形态学特征，用户可根据研究目的针对性圈选目标区域进行测序分析，有效规避全切片无差别检测带来的数据挖掘压力。

• 检测通量高：支持 multiplexed analysis，可同时测量多达 21,000 多个 RNA 靶点，还能在一张组织切片上实现多达上百种蛋白质的原位共分析，能在同一样本上进行多次检测，大幅提高检测效率。

• 样本兼容性好：可适用于各种类型的组织样本，包括固定的、冷冻的、甚至是全切片的样本，还兼容 FFPE 石蜡包埋样品，也适用于多种物种的样本，对珍贵样本可进行非破坏性处理，且样本可重复使用。

• 灵活性与定制性强：研究人员可设计定制化面板，靶向特定基因或通路，根据实验需求选择适当的探针、芯片和分析方法，以满足各种研究需求。

• 灵敏度和重复性高：基于探针的化学方法使其具有五对数的动态范围，能检测低、中、高表达水平的基因，可检测到低表达水平的基因并能检测出微小的表达变化，重复性超过 92%，结果可靠，适合大规模队列研究。

  以下是一些使用 GeoMx DSP 数字空间多组学分析系统进行研究的文献资料：

• 《Spatial Transcriptome-Wide Profiling of Small Cell Lung Cancer Reveals Intra-Tumoral Molecular and Subtype Heterogeneity》3：2024 年 6 月 19 日，中国医学科学院肿瘤医院杨琳 / 刘雨桃和温州医科大学周猛研究员课题组在《Advanced Science》杂志上发表了该论文。研究利用 GeoMx DSP 技术对 25 例小细胞肺癌（SCLC）患者的 79 个肿瘤特异性区域进行空间转录组分析，揭示了肿瘤内部的多区域异质性，开发了 ITHtyper 机器学习模型用于异质性分类和风险分层，为 SCLC 重新分类和个性化治疗方案开发提供了新视角。

• 《High multiplex analysis of the immune microenvironment in bone marrow trephine samples using GeoMX™ digital spatial profiling》：发表于《Cancer Immunology, Immunotherapy》，研究探讨了 GeoMx DSP 技术在分析骨髓活检样本中蛋白质表达的适用性。通过对正常、骨髓增生异常和再生障碍性贫血患者的骨髓活检样本进行分析，发现该技术可实现对骨髓免疫微环境的高多重分析，有助于血液恶性肿瘤相关生物标志物发现和发病机制研究。

• 《乐备实推荐 | 空间多组学在肿瘤发生发展中的应用案例汇总》1：该文献（来源于搜狐网）介绍了多个利用 GeoMx DSP 技术研究肿瘤的案例。如通过分析 8 例 pT1 结直肠癌患者样本，剖析了结直肠癌恶性转化过程中的转录组和免疫学变化；对正常上皮、低级别上皮内瘤变等不同阶段的食管鳞癌组织研究，证实了 TAGLN2 及 CRNN 为食管鳞状癌前病变发展为 ESCC 的风险候选生物标志物；对 10 例早期肺腺癌患者样本分析，揭示了肺腺癌肿瘤内空间异质性等。