Phân tích biểu hiện gen không gian toàn bộ hệ phiên mã (whole transcriptome spatial gene expression analysis) là một phương pháp cung cấp cho các nhà nghiên cứu cái nhìn sâu sắc về cảnh quan phân tử phức tạp của các loại tế bào khác nhau được sắp xếp trong các cấu trúc mô phức tạp. Bằng cách cung cấp bản đồ không sai lệch về biểu hiện gen của toàn bộ hệ phiên mã, kỹ thuật phân tích hệ phiên mã không gian này có tiềm năng to lớn để khám phá những điều mới lạ. Ngoài việc xây dựng các atlas tế bào có độ phân giải không gian, nó còn giúp xác định các kiểu hình tế bào hiếm và làm sáng tỏ các tương tác tế bào-tế bào đóng vai trò quan trọng cho cả chức năng sinh lý và các tình trạng bệnh lý. Tuy nhiên, bất chấp những thành tựu đáng chú ý đạt được nhờ phương pháp này, nhiều bí ẩn của sinh học vẫn chưa được giải đáp. Sự ra đời của giải pháp Visium HD Spatial Gene Expression – 10x Genomics đã đánh dấu một bước tiến đáng kể trong lĩnh vực sinh học không gian, cung cấp cái nhìn toàn diện về sự biến động của toàn bộ hệ phiên mã ở cấp độ của từng tế bào đơn. Tận dụng các cải tiến về cấu trúc slide Visium HD và quy trình tích hợp với Visium CytAssist, Visium HD cho phép các nhà nghiên cứu thu được dữ liệu phiên mã không gian với độ phân giải cao từ các mẫu FFPE mô người hoặc chuột.

Mang độ phân giải cao đến với hệ phiên mã không gian: Visium HD hoạt động như thế nào?

Giải pháp Visium HD bao gồm việc tích hợp các quy trình giải phẫu bệnh tiêu chuẩn và quy trình sinh học phân tử đơn giản, cho phép thu nhận đồng thời hình ảnh mô nhuộm hematoxylin và eosin (H&E) hoặc nhuộm miễn dịch huỳnh quang (IF) của các lát cắt mô cùng với thông tin biểu hiện gen không gian toàn bộ hệ phiên mã được phân giải ở cấp độ tế bào đơn. Bắt đầu từ các khối mô FFPE hoặc lát cắt mô đã được xử lý và cố định vào các lam kính từ trước, các nhà nghiên cứu có thể chuyển tiếp liền mạch qua các bước nhuộm mô, lai các đầu dò và nối 2 nửa đầu dò trước khi chuyển các đầu dò biểu hiện gen lên slide Visium HD bằng thiết bị CytAssist.

Hình 1. Sơ đồ chuyển các đầu dò từ các lát cắt mô FFPE trên lam kính sang slide Visium HD, được thực hiện bên trong thiết bị CytAssist.

Cấu trúc độc đáo của Khu vực bắt giữ (Capture Area) trên slide Visium HD đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp cái nhìn sâu sắc về không gian độ phân giải cao, với hàng triệu ô kích thước 2 x 2 µm có các mã vạch không gian (Spatial Barcode) riêng biệt để thu nhận  các đầu dò biểu hiện gen. Các mã vạch không gian này cho phép định vị chính xác các thông tin biểu hiện gen lên trên hình ảnh của lát cắt mô, tạo thuận lợi cho phân tích với độ phân giải không gian.

Hình 2. Sơ đồ cấu trúc slide Visium HD. Slide Visium HD chứa hai Khu vực bắt giữ kích thước 6,5 x 6,5 mm với một loạt các oligonucleotide được bố trí liên tục thành hàng triệu ô có kích thước 2 x 2 µm và không có khoảng cách giữa các ô.

Sau khi thu nhận  đầu dò và mã vạch không gian, Slide Visium HD thực hiện quá trình chuẩn bị thư viện và giải trình tự tiếp theo để tạo ra dữ liệu biểu hiện gen không gian toàn bộ hệ phiên mã được  với độ phân giải không gian. Dữ liệu này, được cung cấp ở độ phân giải 2 µm và các kích thước ô khác nhau, có thể được phủ lên trên các hình ảnh mô được khớp để trực quan hóa và khám phá. Kích thước ô có thể được thu nhỏ đủ để bắt lấy các tế bào đơn, nghĩa là phương pháp này có khả năng đặc trưng cho các loại tế bào chính có mặt trong mỗi ô. Với chiến lược phân ô này và kích thước trung bình của tế bào nhân thực (từ 8 đến 100 µm), mỗi vùng được phân ô có thể bao phủ các thành phần của nhiều hơn một tế bào; do đó, Visium HD cung cấp độ phân giải không gian ở cấp độ tế bào đơn.

Các loại mô đã được thử nghiệm với Visium HD

Sự linh hoạt của Visium HD mở rộng sang khả năng tương thích với nhiều loại mẫu mô FFPE khác nhau, bao gồm các mẫu lâm sàng lưu trữ và mảng mô nhỏ (TMA). Sử dụng giao thức tương thích FFPE phổ biến, Visium HD loại bỏ nhu cầu tối ưu hóa mô cụ thể, đảm bảo hiệu năng mạnh mẽ trên các loại mô và điều kiện bảo quản khác nhau.

Hình 3. Các mẫu mô FFPE của người và chuột đã được thử nghiệm với xét nghiệm Visium HD.

Ứng dụng Visium HD Spatial Gene Expression

Các giải pháp Visium và Visium HD tích hợp trên thiết bị CytAssist phù hợp để phân tích các mẫu mô của người và chuột; cả hai công nghệ này đều có thể áp dụng trong các ứng dụng khám phá không gian ở cả mẫu mô khỏe mạnh và mô bệnh. Trong số nhiều ứng dụng, công nghệ trong các phiên bản hiện tại và trước đây đã được sử dụng để nghiên cứu:

• Tính không đồng nhất của khối u trong ung thư tuyến tiền liệt ở người (4)

• Kiến trúc không gian trong ung thư biểu mô tế bào vảy ở người (5)

• Lập bản đồ không gian miền sau của cạnh bên vùng vỏ não trước trán của người, một khu vực liên quan đến một số rối loạn thần kinh (6)

• Cấu trúc giải phẫu của phản ứng nguyên bào sợi đối với bệnh cúm (7)

• Phân tích không gian thời gian về sự phát triển đường ruột của con người (8)

• Lập bản đồ không gian của các tế bào ở niêm mạc tử cung và nội mạc tử cung của con người (9)

• Đặc điểm không gian của cơ quan thụ cảm của con người (10)

• Phản ứng của tế bào B trong cấu trúc lympho bậc ba trong ung thư biểu mô tế bào thận (11)

• Các dấu ấn sinh học bên trong khối u và các mục tiêu thuốc tiềm năng trong sinh thiết khối u của bệnh nhân (12)

Bước vào kỷ nguyên khám phá không gian mới với Visium HD

Bằng cách cung cấp cái nhìn sâu sắc không gian không giới hạn với độ phủ liên tục trên lát cắt mô và độ phân giải ở cấp độ tế bào đơn, Visium HD tăng cường độ sâu và rộng của nghiên cứu khám phá không gian sinh học. Phương pháp không sai lệch này cung cấp cho các nhà nghiên cứu một cái nhìn toàn diện về các mẫu FFPE, mở khóa những hiện tượng sinh học trước đây bị bỏ qua trong môi trường mô phức tạp..

Một ví dụ đáng chú ý về tác động của Visium HD được thể hiện trong nghiên cứu của Tiến sĩ Omer Bayraktar và nhóm của ông tại Viện Wellcome Sanger, nơi họ đã sử dụng Visium HD để mô tả các quỹ đạo tế bào của các trạng thái tế bào ác tính dị hợp trong Glioblastoma (GBM). Bằng cách tích hợp dữ liệu Visium HD với các kỹ thuật omics khác, họ đã xây dựng một bản đồ toàn diện về các trạng thái tế bào ác tính và môi trường tế bào u trong GBM, tiết lộ các mối quan hệ không gian và đặc điểm giải phẫu trước đây không được đánh giá cao trong các mẫu u.

Hình 4. Giải pháp Visium HD

Kết luận

Việc ra đời của Visium HD đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực phân tích hệ phiên mã không gian, mang lại cho các nhà nghiên cứu cái nhìn chi tiết chưa từng có về thông tin biến động của toàn bộ hệ phiên mã ở độ phân giải cao nhất hiện nay, tức là từng tế bào đơn. Visium HD sẽ tiếp tục thúc đẩy sự đổi mới trong lĩnh vực này, dựa trên công nghệ giải trình tự, nhằm mở ra những khám phá mới trong việc hiểu các hệ thống sinh học phức tạp, với mục tiêu cải thiện sức khỏe con người.

Tài liệu tham khảo:

1. Madissoon E, et al. A spatially resolved atlas of the human lung characterizes a gland-associated immune niche. Nat Genet 55: 66–77 (2022). doi: 10.1038/s41588-022-01243-4
2. Watanabe R, et al. Spatial gene expression analysis reveals characteristic gene expression patterns of de novo neuroendocrine prostate cancer coexisting with androgen receptor pathway prostate cancer. Int J Mol Sci 24: 8955 (2023).
3. Zhang S, et al. Spatial transcriptomics analysis of neoadjuvant cabozantinib and nivolumab in advanced hepatocellular carcinoma identifies independent mechanisms of resistance and recurrence. bioRxiv (2023). doi: 10.1101/2023.01.10.523481
4. Berglund E, et al. Spatial maps of prostate cancer transcriptomes reveal an unexplored landscape of heterogeneity. Nat Commun 9: 2419 (2018). doi: 10.1038/s41467-018-04724-5
5. Ji AL, et al. Multimodal analysis of composition and spatial architecture in human squamous cell carcinoma. Cell 182: 497–514.e22 (2020). doi: 10.1016/j.cell.2020.05.039
6. Maynard KR, et al. Transcriptome-scale spatial gene expression in the human dorsolateral prefrontal cortex. Nat Neurosci 24: 425–436 (2021). doi: 10.1038/ s41593-020-00787-0
7. Boyd DF, et al. Exuberant fibroblast activity compromises lung function via ADAMTS4. Nature 587: 466–471 (2020). doi: 10.1038/s41586-020-2877-5
8. Fawkner-Corbett D, et al. Spatiotemporal analysis of human intestinal development at single-cell resolution. Cell 184: 810–826.e23 (2021). doi: 10.1016/j.cell.2020.12.016
9. Garcia-Alonso L, et al. Mapping the temporal and spatial dynamics of the human endometrium in vivo and in vitro. Nat Genet 53: 1698–1711 (2021). doi: 10.1038/s41588-021-00972-2
10. Tavares-Ferreira D, et al. Spatial transcriptomics of dorsal root ganglia identifies molecular signatures of human nociceptors. Sci Transl Med 14: eabj8186 (2022). doi: 10.1126/scitranslmed.abj8186
11. Meylan M, et al. Tertiary lymphoid structures generate and propagate anti-tumor antibody-producing plasma cells in renal cell cancer. Immunity S1074-7613(22)00081-4 (2022). doi: 10.1016/j.immuni.2022.02.001
12. Lyubetskaya A, et al. Assessment of spatial transcriptomics for oncology discovery. Cell Rep Methods 2: 100340 (2022). doi: 10.1016/j.crmeth.2022.100340