01

從「單細胞」到「空間時代」

技術(shù)演進的下一個十年

過去十年，單細胞測序技術(shù)徹底改變了生命科學的研究范式。我們第一次能夠以高通量的方式解析組織中「有哪些細胞」、「它們在表達什么基因」。然而，一個根本性的問題始終懸而未決：這些細胞在組織中的「坐標」是什么？它們和誰做鄰居？它們在原位如何通訊？

組織不是懸浮液。腫瘤微環(huán)境中，一個 CD8? T 細胞是否真正接觸腫瘤細胞，決定了它能否發(fā)揮殺傷功能；疫苗誘導的免疫記憶細胞是否定位在氣道周圍，決定了它能否在病原入侵的第一時間響應。沒有空間位置信息，單細胞數(shù)據(jù)就像一份沒有地址的通訊錄——你知道誰在，卻不知道他們在哪、和誰在一起。

這正是空間組學技術(shù)迅速崛起的根本驅(qū)動力。2022 年，Nature 將「空間多組學」評為年度技術(shù)。然而，如何在單細胞分辨率下，同時獲取基因表達、表觀調(diào)控、免疫克隆型等多維信息，始終是領域內(nèi)最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。

2026 年 2 月，斯坦福大學 Bali Pulendran 團隊在 Science 上發(fā)表的一項研究《Mucosal vaccination in mice provides protection fromdiverse respiratory threats》，給出了一個漂亮的解法。團隊開發(fā)了一種鼻噴廣譜疫苗，在小鼠模型中實現(xiàn)同時抵御新冠病毒、流感病毒、金黃色葡萄球菌，甚至過敏原的侵害——而它的保護機制，完全顛覆了傳統(tǒng)疫苗依賴「特異性抗體」的邏輯[1]。

02

從「一病一苗」到「整合器官免疫」

傳統(tǒng)疫苗的困境：面對流感病毒的抗原漂移、新冠病毒的不斷變異，抗體導向的疫苗往往剛上市就面臨「免疫逃逸」的尷尬。Pulendran 團隊另辟蹊徑，轉(zhuǎn)向激活先天免疫——這套免疫系統(tǒng)是億萬年進化留下的「第一道防線」，不挑剔病原體，反應速度以小時計。

解決策略：研究團隊設計了一種名為 GLA-3M-052-LS+OVA 的鼻內(nèi)噴霧疫苗。其核心機制在于「雙重激活」策略。兩個免疫激動劑GLA（TLR4 激動劑）和 3M-052-LS （TLR7/8 激動劑），搭配一個通用模型抗原卵清蛋白（OVA）。其保護作用不是依賴于針對特定病原體的抗體，而是主要通過肺泡巨噬細胞（AM）

工作原理：疫苗中的 TLR 激動劑，能直接刺激肺部先天免疫細胞；而 OVA 抗原將 T 細胞招募到肺部，這些抗原特異性 CD4? 和 CD8? 記憶 T 細胞持續(xù)向先天免疫細胞發(fā)送信號，讓本應僅活化幾天的先天免疫維持數(shù)月激活狀態(tài)。

關(guān)鍵免疫機制 1：T 細胞-RANKL 通路介導保護效應

研究發(fā)現(xiàn)，清除 CD4? 和 CD8?T 細胞可完全消除疫苗的保護作用。進一步機制解析顯示，T 細胞分泌的 RANKL 是疫苗誘導保護所必需的關(guān)鍵分子——持續(xù)阻斷 RANKL 會完全消除疫苗對 SARS-CoV-2 和金黃色葡萄球菌感染的保護效果；而抑制 CD40L、IFN-γ 或 TNF-α 信號通路則不影響保護。

關(guān)鍵免疫機制 2：肺泡巨噬細胞（AM）是核心效應細胞

通過 scRNA-seq 對 119,876 個肺細胞分析發(fā)現(xiàn)，疫苗接種后 21 天，肺泡巨噬細胞中抗原呈遞通路持續(xù)富集，相關(guān)基因（H2-D1、H2-K1、H2-Aa 等）表達水平至少維持 3 個月。scATAC-seq 進一步揭示，與抗原呈遞基因 H2-Aa、干擾素刺激基因 Ccl5 等相關(guān)的染色質(zhì)位點，在疫苗接種后至少 3 個月內(nèi)在 AM 中保持可及性。

關(guān)鍵免疫機制 3：誘導三級淋巴結(jié)構(gòu)（TLS）形成

感染后 3 天，疫苗組的肺組織出現(xiàn)類似淋巴結(jié)的 T/B 細胞分區(qū)，即三級淋巴結(jié)構(gòu)。未接種疫苗的對照組在感染后第 3 天未顯示這些 TLS 特征。

03

空間組學

揭開疫苗誘導免疫圖譜的關(guān)鍵鑰匙

在這項研究中，一個核心問題始終貫穿始終：疫苗如何在三維肺組織中構(gòu)建持久、廣譜的免疫防御？

傳統(tǒng)單細胞測序能解析細胞類型和分子特征，卻無法確認細胞在組織中的空間位置信息。而研究團隊發(fā)現(xiàn)，疫苗誘導的保護效應與細胞的空間排布密切相關(guān)——T 細胞是否定位在氣道周圍、肺泡巨噬細胞是否與上皮細胞形成通訊網(wǎng)絡、三級淋巴結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)在關(guān)鍵哨位，這些問題的答案都依賴于空間維度的信息。

這正是具有單細胞分辨率的空間轉(zhuǎn)錄組學技術(shù)——Trekker，大顯身手的舞臺。（點此或文末獲取更多 Trekker 信息及技術(shù)支持）

研究團隊對 53,645 個空間解析的細胞核使用 Trekker 試劑盒進行了單細胞空間轉(zhuǎn)錄組分析，通過 UMAP 揭示了多樣的細胞群，包括肺泡上皮細胞、AM、間質(zhì)巨噬細胞（IM）、DC、T 細胞和 B 淋巴細胞。Trekker 技術(shù)的加入，讓研究在空間原位完成了對肺組織免疫生態(tài)系統(tǒng)的多維度解析：

數(shù)據(jù)解析 1：空間聚類與細胞圖譜

通過 Trekker 獲得的空間聚類圖（對應文獻 Fig. 3C）清晰展示了疫苗接種組、未接種組以及 T 細胞耗竭組在組織結(jié)構(gòu)和細胞組成上的顯著差異。接種疫苗的小鼠肺中表現(xiàn)出顯著的空間重構(gòu)（對應文獻 Fig. 3D）。

數(shù)據(jù)解析 2：細胞間通訊網(wǎng)絡可視化

整合空間定位和配體-受體表達值分析顯示，疫苗接種后肺部的細胞間相互作用整體增強（對應文獻 Fig. 3F）。T 細胞-B 細胞和 T 細胞-先天免疫細胞間的通訊增強，以及 AM 與肺泡上皮細胞（ATI 和 ATII）之間的信號傳導加強，而在 T 細胞耗竭小鼠中這些信號均被削弱。

文獻 Fig.3

數(shù)據(jù)解析 3：三級淋巴結(jié)構(gòu)的空間定位

多重空間蛋白成像顯示，TLS 富集區(qū)主要定位于氣道周圍（對應文獻 Fig. 5D-E），提示疫苗接種使肺組織在感染時能夠快速且有結(jié)構(gòu)地參與免疫應答。免疫組化進一步顯示 TLS 與 SARS-CoV-2 N 蛋白共定位。

文獻 Fig.5

04

Trekker 技術(shù)流程

一張芯片、兩步操作、三套數(shù)據(jù)

Trekker 技術(shù)的突破性在于將空間定位與單細胞多組學完美整合，其工作流程分為三個核心步驟：

第一步：貼標簽——每個細胞核拿到自己的「坐標身份證」

Trekker 的核心耗材是一張?zhí)刂频男酒╰ile），上面鋪滿了數(shù)百萬個位置唯一的 DNA 條形碼。每個條形碼對應芯片上的一個精確坐標（比如第 3 行第 5 列）。

操作很簡單：將新鮮冷凍組織切片（厚度 10～25 μm）貼在芯片上，然后紫外光照射。光觸發(fā)后，每個細胞核會「抓取」到它所在位置的那個條形碼——相當于每個細胞核都被打上了它自己的空間坐標標簽。

第二步：建庫——直接上常規(guī)單細胞平臺

貼好標簽的細胞核從芯片上收集下來，這時候它們已經(jīng)帶著「空間坐標」了。接下來，直接用標準的單細胞測序建庫流程進行后續(xù)操作——逆轉(zhuǎn)錄、cDNA 擴增、文庫構(gòu)建，和做普通單細胞測序一模一樣。

唯一的區(qū)別是：每個細胞核的 cDNA 上，已經(jīng)同時攜帶了基因表達信息和空間坐標條形碼，這從根本上確保了數(shù)據(jù)的單細胞分辨率。

第三步：解碼——測序后「按圖索驥」

測序完成后，通過生物信息學分析，根據(jù)每個 read 上的空間條形碼，就能反推出它原本來自組織切片上的哪個位置。于是，研究者得到的是一個帶坐標的基因表達矩陣——知道每個細胞核在組織中的 XY 坐標，也知道它的全轉(zhuǎn)錄組表達譜。

正如研究團隊在論文中展示的，通過 Trekker 獲得的整合數(shù)據(jù)集，他們不僅驗證了肺泡巨噬細胞的表觀遺傳重塑，還定量解析了 T 細胞-AM 互作的空間強度，更直觀展示了三級淋巴結(jié)構(gòu)的形成位置。所有這些發(fā)現(xiàn)都基于同一份樣本、同一套空間坐標系統(tǒng)。

05

從「看細胞」到「看生態(tài)」

Trekker 如何最大化樣本價值

以下是一個在腫瘤免疫中的典型案例：

案例：snRNA-Seq+ snV(D)J，追蹤 B 細胞克隆的「空間足跡」

免疫細胞克隆的擴增與分布，是理解腫瘤免疫應答的核心問題。研究團隊對 25 μm 厚的人原發(fā)性乳腺癌組織切片，完成對其中 10,671 個細胞核的空間定位與細胞注釋。并分別將其映射至 UMAP 圖譜（圖 A）和空間圖譜（圖 B）。

關(guān)鍵突破：

數(shù)據(jù)顯示，該技術(shù)的檢測效率優(yōu)異（圖 C）：BCR 平均每個細胞核有效讀數(shù)達 372.4，TCR 達 332.5；39.6% 的 B 細胞能檢測到重鏈 CDR3，52.4% 的 B 細胞能檢測到輕鏈 CDR3，T 細胞中也有 7.6% 和 14.2% 分別檢測到重鏈、輕鏈 CDR3。

清晰繪制出了不同 B 細胞克隆的空間分布圖譜（圖 E）。Top8 的 BCR 重鏈 CDR3 克隆在乳腺癌組織中呈現(xiàn)出顯著的空間特異性 ，部分克隆集中分布在腫瘤邊緣區(qū)域，部分則在腫瘤內(nèi)部形成聚集區(qū)（圖 F）。而相鄰組織切片的 H & E 染色（圖 D）進一步驗證了這些克隆分布與病理結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性。

這一結(jié)果首次直觀揭示了乳腺癌微環(huán)境中 B 細胞克隆的空間擴散規(guī)律：免疫克隆的擴增并非隨機分布，而是與腫瘤組織的病理分區(qū)、細胞鄰域密切相關(guān)，為理解腫瘤相關(guān)性 B 細胞的功能分工（如抗體分泌、抗原呈遞）提供了關(guān)鍵的空間線索。

Science 這項研究標志著呼吸道疫苗開發(fā)進入「整合器官免疫」新時代，而Trekker 技術(shù)在其中扮演了「地圖繪制者」的關(guān)鍵角色。如果您正在探索腫瘤免疫、疫苗機制或發(fā)育生物學等中的空間轉(zhuǎn)錄組學問題，希望從有限珍貴樣本中獲得更全局、更深刻的洞察，Trekker 單細胞空間組學解決方案或許能成為您下一個突破性發(fā)現(xiàn)的加速器。

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內(nèi)容策劃：王丹琦

內(nèi)容審核：朱卿

題圖來源：圖蟲創(chuàng)意

參考文獻

[1]. Zhang H, Floyd K, Fang Z, et al. Mucosal vaccination in mice provides protection from diverse respiratory threats[J]. Science, 2026: eaea1260.