新型成像技術快速解析細胞分布與腫瘤異質性

PRISM（Profiling of RNA In-situ through Single-round iMaging）是一種新型的高復用空間RNA成像技術，它通過顏色強度條形碼策略，在傳統熒光顯微鏡下實現單輪成像即可檢測多達64種RNA轉錄本。該方法利用滾動圈擴增（RCA）和競爭性雜交原理，將熒光信號的強度分級與多通道光譜結合，克服了傳統顯微鏡僅能分辨有限通道的瓶頸。PRISM技術無需復雜的流體學設備，整個工作流程可在一天內完成，顯著降低了空間轉錄組學的技術門檻。研究團隊在多個組織樣本中驗證了PRISM的實用性，包括小鼠胚胎發育圖譜、人類肝癌微環境分析以及小鼠腦組織的3D成像，揭示了細胞類型分布、亞細胞RNA定位及腫瘤異質性等關鍵生物學信息。該技術的高通量、高分辨率和易用性，為生物醫學研究提供了強有力的工具。

本研究的核心貢獻者包括Tianyi Chang、Shihui Zhao、Kunyue Deng、Zhizhao Liao、Mingchuan Tang、Yanxi Zhu、Wuji Han、Chenxi Yu、Wenyi Fan、Mengcheng Jiang、Guanbo Wang、Dongfang Liu、Jirun Peng、Yuhong Pang、Peng Fei、Jianbin Wang、Chunhong Zheng和Yanyi Huang。研究成果以論文“High-plex spatial RNA imaging in one round with conventional microscopes using color-intensity barcodes”的形式，于2025年10月在《Nature Biotechnology》上發表。

重要發現
01PRISM技術原理與工作流程
PRISM技術的核心在于通過顏色強度條形碼對RNA轉錄本進行編碼。每個靶基因的padlock探針包含多個片段，每個片段對應一個熒光通道（如Texas Red、Alexa Fluor 488、Cy5、Cy3），并通過混合標記與未標記成像探針的比例，實現熒光強度的分級量化。這種設計使得在有限的光譜通道內（如3-4個通道），通過強度組合可產生大量可區分的條形碼。例如，將三個通道分為五級強度（0-4/5），并結合第四個通道的雙級強度，理論編碼容量可達64種基因。關鍵創新是半徑向量過濾策略，確保條形碼在顏色空間中的角度分散，避免因擴增產物大小不均導致的信號混淆。

工作流程從padlock探針與靶RNA結合開始，經過連接和滾動圈擴增，產生大量相同的條形碼序列。隨后，通過單輪混合成像探針染色，利用競爭性雜交使每個片段按預設比例顯示熒光強度。成像后，信號點被提取并投影到顏色空間，通過高斯擬合或手動邊界劃分進行條形碼解碼。該方法在傳統顯微鏡下即可實現，無需多輪反應，減少了樣本變形和配準誤差。實驗驗證顯示，PRISM的解碼準確率超過95%，且對組織自發熒光有良好魯棒性。

在小鼠胚胎發育研究中，PRISM生成了E12.5至E14.5階段的3D細胞圖譜，涵蓋了超過425萬個細胞，分為12種主要類型。研究揭示了神經系統、呼吸系統、運動系統和消化系統等器官的發育動態，例如脊髓中Hoxb8、Robo2和Stmn2基因的共表達，以及肢體發育中Wnt5a+和Tbx5+細胞的空間相關性。細胞互作分析顯示，肝細胞中94%存在近距離相互作用，表明胚胎期肝小葉結構的早期形成。

在人類肝癌樣本中，PRISM使用31個基因 panel（包括HBV核心蛋白編碼序列），分析了約120萬個細胞，識別出32種細胞類型，如腫瘤細胞、癌癥相關成纖維細胞（CAFs）和免疫細胞亞型。空間分析揭示了腫瘤微環境的異質性，例如CAFs形成物理屏障阻礙免疫細胞浸潤，以及B細胞在3D空間中形成淋巴樣網絡。這些發現為肝癌免疫治療提供了新見解。

創新與亮點
PRISM技術的核心創新在于突破了傳統光學成像的多路復用限制。常規熒光顯微鏡受限于光譜重疊，通常只能分辨4-5個通道，而PRISM通過顏色強度分級，將編碼容量提升至64重，無需超分辨率或專用設備。這種“單輪成像”策略避免了多輪標記-剝離反應帶來的樣本損傷和配準難題，顯著提高了實驗效率和可重復性。此外，PRISM采用半徑向量過濾優化條形碼區分度，并通過調整熒光探針比例適應不同光學系統，展現了高度的靈活性和魯棒性。

在生物醫學價值方面，PRISM降低了空間轉錄組學的技術門檻，使普通實驗室也能開展高通量空間RNA分析。它成功應用于胚胎發育、腫瘤微環境和神經科學等多個領域，提供了細胞互作、亞細胞定位和3D結構的全新見解。例如，在肝癌研究中，PRISM揭示了CAFs的屏障作用和免疫細胞空間異質性，為精準醫療提供了潛在靶點。技術開源性進一步促進了廣泛采用，有望推動分子病理學和細胞圖譜構建的普及。

總結與展望
PRISM技術通過顏色強度條形碼實現了高效、易用的空間RNA成像，為生物醫學研究提供了強大工具。它克服了傳統顯微鏡的通道限制，并在多種組織類型中驗證了其可靠性和廣泛應用潛力。未來，PRISM可通過結合光激活染料或膨脹顯微鏡進一步提升復用能力和分辨率。雖然目前靈敏度較低（約10%），但通過增加靶基因探針數量有望改善。隨著技術優化和社區推廣，PRISM有望成為空間生物學的基礎技術，推動疾病機制研究和臨床診斷創新。

DOI:10.1038/s41587-025-02883-7.