空間トランスクリプトミクスは、アルツハイマー病やがんなどの新たな治療法を切り拓く可能性があります。

空間トランスクリプトミクスは生物学研究における重要な進歩であり、無傷の組織内における遺伝子発現と空間的配置の複雑な関係を調べるための強力な手法です。この手法は、細胞成分の空間的配置とその転写状態を明らかにすることで、複雑な生物学的システムにおける細胞の組成や活動に対するより深い理解を可能にします。

空間トランスクリプトミクスは、組織内のRNA分子の本来の場所を特定するという共通の目的を持つ複数の手法を包含しています。この技術的進歩は、複雑な組織内における細胞の構成、機能、相互作用についてかつてない洞察をもたらします。発生生物学、神経科学、がん研究など、多くの生物学・医学分野を向上させる可能性を秘めていることから、空間トランスクリプトミクスは2020年にNature Methods誌によって「Method of the Year」に選出されました。

生物医学には他にもトランスクリプトミクス手法が存在しますが、近年、研究者は空間トランスクリプトミクスにおいて目覚ましい進歩を遂げています。私たちは、過去10年間の空間トランスクリプトミクスの研究状況をより深く理解するため、科学情報の最大規模の人間によるキュレーションデータベースであるCAS Content Collection^TMを調査しました。その結果、10年前から空間トランスクリプトミクスに関連する論文数が大幅に（約150倍）増加していることがわかりました（図1参照）。特許文献と比較してジャーナル論文が圧倒的に多く、商業化の余地が依然として大きいことが示唆されます。

トランスクリプトミクスの科学はどのように変化しており、それがさまざまな疾患の新たな治療アプローチにどのような意味を持つのでしょうか。空間トランスクリプトミクスの仕組みと、研究の今後の方向性について探っていきましょう。

空間トランスクリプトミクスとは何か？

現在、トランスクリプトミクスには主に3つのタイプがあります：バルク、シングルセル、そして空間（図2参照）です。バルク・トランスクリプトミクスは細胞混合物中の遺伝子発現を解析し、全体像を把握できますが、シングルセルレベルの解像度は得られません。シングルセル・トランスクリプトミクスは個々の細胞の遺伝子発現を解明し、細胞の不均一性や希少な細胞集団への洞察を可能にしますが、空間的な文脈は失われます。

空間トランスクリプトミクスは組織内での遺伝子発現の場所を保持し、細胞の相互作用や組織構造を明らかにしますが、この手法には高度な計算解析が必要であることに留意しなければなりません。これらの手法はそれぞれ異なる研究課題に適しており、遺伝子制御について補完的な視点を提供します。

One of the earliest spatial transcriptomics techniques was FISH (fluorescent in situ hybridization), which directly visualizes RNA molecules within intact cells and tissues. It works by designing short, fluorescently labeled DNA or RNA probes complementary to the target RNA sequence. These probes hybridize to the target RNA in the sample, and the locations of the fluorescent signals are detected using fluorescence microscopy.  

シングル分子FISH（smFISH）のような手法は感度を向上させ、個々のRNA転写産物を回折限界スポットとして検出・定量することを可能にしました。FISHの初期の応用では、蛍光色素のスペクトル重なりのため、十分に解明された少数のmRNAの空間分布しか可視化できませんでした。また、これらの初期の手法は、特に大きな組織切片や多数の標的を解析する場合、時間と労力を要するものでした。 こうした制限から、研究者はより効率の高い現代的な手法を開発しました。

技術の進歩が解像度と解析を向上させる

空間トランスクリプトミクス技術は、マイクロダイセクション法、in situハイブリダイゼーション法（ISH）、in situシーケンシング法（ISS）、およびin situキャプチャー法（ISC）の4つのカテゴリーに分類できます（図3参照）。技術の選択は、高解像度、広範な遺伝子カバレッジ、標的解析の必要性など、具体的な研究目標によって決まります。CAS Content Collectionの論文数からわかるように、この分野は過去10年間で急速な技術進化を遂げてきました。これらの進歩により、研究者は疾患メカニズムに関する重要な洞察を特定し、潜在的な治療戦略を開発することが可能になっています。

レーザーマイクロダイセクション法

レーザーマイクロダイセクション（LMD）は、顕微鏡下で組織切片から特定の細胞集団や関心領域を物理的に分離する手法です。目的の領域をマイクロダイセクションで切り出した後、これらの分離された細胞や組織断片からRNAを抽出し、従来のバルクRNAシーケンシング（RNA-seq）を用いて解析します。このアプローチにより、遺伝子発現プロファイルとマイクロダイセクションで定義された特定の空間的位置を関連付けることが可能になります。

LMDはin situ（その場）解析ではなく空間的な分離に重点を置いていますが、高度なRNA-seq技術との統合により、空間トランスクリプトミクスにおける有用性が大幅に向上しました。少数の細胞からのRNA抽出、増幅法、シーケンシング深度の改善により、マイクロダイセクションされたサンプルのより包括的なトランスクリプトーム解析が可能になっています。最新のLMD装置は、より高い精度と自動化を実現し、プロセスを効率化しています。これらは、組織サンプル内の分子的な不均一性の理解、疾患を駆動する特定の細胞集団の特定、そして標的療法の指針策定において極めて重要となる可能性があります。

ISH法

ISHは、標識プローブを用いて細胞や組織内の特定の核酸配列（DNAおよびRNA）を空間的な文脈を保持したまま検出する多くの技術を包含しています。FISHと同様に、ISHは標的配列への標識プローブのハイブリダイゼーションに基づいています。しかし、ISHでは蛍光以外の多様な検出方法を採用でき、酵素標識や放射性標識などを用いて、顕微鏡やオートラジオグラフィーによる可視化が可能です。

発色検出（酵素を用いて着色沈殿物を生成させるなど）を用いる従来のISHは、数十年にわたり発生生物学や組織学における基礎的な技術であり、細胞解像度で遺伝子発現パターンを可視化することを可能にしてきました。放射性ISHは、低存在量の転写産物に対してより高い感度を提供します。FISHは、ISHの蛍光ベースのサブセットに相当します。

ISHの進化は、主に感度、マルチプレックス能力、および解像度の向上に焦点を当ててきました。MERFISH、seqFISH、およびその他のバリエーションといった近年のマルチプレックスFISHは、組み合わせ標識とハイブリダイゼーションおよびイメージングの反復サイクルを採用することで、同一サンプル内で数百から数千のmRNAを同時に検出することを可能にしています。

ISS法

これらの手法は一般的に、組織切片内でRNAを相補的DNA（cDNA）に変換し、続いてin situ増幅と、様々なエンコーディング戦略を用いたシーケンシングを行います。配列情報は、ハイブリダイゼーション、ライゲーション、または酵素反応の反復サイクルと高解像度イメージングを組み合わせることで解読されます。得られたデータは、細胞内解像度で多数のRNA転写産物の正体と空間的位置を提供します。

ISS技術の例としては、Single-cell TOtal RNA Miniaturized sequencing（STORM-seq）、fluorescent in situ sequencing（FISSEQ）、およびパッドロックプローブベースのシーケンシング法が挙げられます。これらの技術は高いマルチプレックス性を達成でき、個々の細胞内の数千ものRNA種を、本来の空間的文脈の中で同時に検出することが可能です。

ISC法

ISC法では、空間的にバーコード化されたオリゴヌクレオチドを組織切片上に配置し、細胞から放出されたmRNAを捕捉します。空間情報は、捕捉プローブ上の固有のバーコードにエンコードされます。mRNAの捕捉と逆転写の後、得られたcDNAをプールし、標準的な次世代シーケンシングを用いて解析します。各cDNA分子に関連付けられた空間バーコードを解読することで、遺伝子発現プロファイルを組織上の元の位置にマッピングし直すことができます。

表1：各種空間的トランスクリプトミクス技術の比較

カロリンスカ研究所で開発されたオリジナルの空間的トランスクリプトミクス技術は、ISC手法の代表例であり、後に10x Genomics社のVisiumプラットフォームとして製品化されました。この技術は、空間バーコード付きマイクロアレイを用いてmRNAをキャプチャーします。その後の技術革新として、スライド上にDNAバーコード付きビーズを配置するSlide-seqなどが挙げられます。

初期のISC手法は、キャプチャー用スポットやビーズのサイズに制限があり、空間分解能は比較的低いものでした。その後、空間バーコードの密度向上、キャプチャー領域の縮小、mRNAキャプチャーおよびcDNA合成の効率化において大きな進歩が見られました。高精細空間的トランスクリプトミクス（HDST）やSlide-seqV2といった技術により、分解能は劇的に向上し、一部では単一細胞レベルに迫っています。

ISC手法は、全トランスクリプトームの空間的プロファイリングにおいて、拡張性が高く比較的コスト効率に優れたアプローチを提供します。そのため、基礎研究、創薬、さらには臨床診断における大規模な研究に適しています。空間的な文脈で全トランスクリプトームを解析できる能力は、組織の構造と機能に関する包括的な知見をもたらします。

疾患生物学の理解と創薬を促進する空間的トランスクリプトミクス

遺伝子発現の空間的文脈を理解することは、疾患メカニズムを解明するための重要な洞察となります。これは創薬や開発にも影響を及ぼします。現在、空間的トランスクリプトミクスが特に注目されている4つの領域は、がん、神経科学、発生生物学、そして感染症です。

がん

がん研究における最大の課題の一つは、腫瘍の不均一性と、腫瘍およびその周囲の微小環境（TME）との複雑な相互作用を理解し、それに対処することでした。TMEは、免疫細胞、間質細胞、血管、細胞外マトリックスなどを含む、常に進化し続ける複雑な実体です。空間的トランスクリプトミクスの進歩により、免疫微小環境の重要な役割がより深く理解されるようになり、がん細胞が宿主の免疫系を回避するために利用するさまざまなメカニズムが明らかになっています。

現在では、TMEは単なる中立的な存在ではなく、がんの進行を積極的に促進する因子であるという認識が広く定着しています。TMEは、がんの増殖、転移、治療に対する耐性や感受性を直接的または間接的に制御しています。空間的トランスクリプトミクス技術は空間的な文脈を保持できるため、腫瘍とTME、あるいは腫瘍と免疫細胞の相互作用を研究し、腫瘍生物学の理解に新たな洞察を与えるための優れたツールとなります。

近年、数多くの注目すべき研究が行われています。例えば膠芽腫において、IL-10を放出する骨髄系細胞（間葉系様腫瘍領域に局在）がT細胞の疲弊を促進し、免疫抑制的なTMEの形成に寄与していることが示されました。口腔扁平上皮がんでは、明確かつ保存された腫瘍中心部と辺縁部の構造が特定・特徴付けられ、生存率や標的療法への反応を予測できることが分かりました。空間的トランスクリプトミクスは、腫瘍の不均一性やTMEが駆動する薬剤反応を研究するために、乳がん研究でも広く活用されています。

神経科学

脳の驚異的な機能的複雑性は、多様な神経細胞やグリア細胞集団の正確な空間配置と接続から生じています。空間的トランスクリプトミクスは、この組織構造を細胞レベルで解明し、神経回路がどのように形成され機能するのか、脳の各領域がどのように特定されるのか、そしてこの精緻な構造の破綻がどのように神経疾患の発症や進行につながるのかについて、洞察を提供します。

現在、空間的トランスクリプトミクスは、アルツハイマー病の特徴であるアミロイド斑病理における重要なメカニズムや分子を解明するために使用されています。マウスモデルにおいて、科学者たちは疾患の初期段階と後期段階に関与する遺伝子共発現ネットワークを特定しました（それぞれ、ミエリンおよびオリゴデンドロサイト遺伝子[OLIGs]と、プラーク誘導遺伝子[PIGs]）。別の研究では、アルツハイマー病患者における領域ごとの遺伝子発現プロファイルと、アミロイドベータおよびタウ病理に対する選択的な領域脆弱性との関連が特定されました。

空間的トランスクリプトミクスは、アミロイドベータを標的とした免疫療法を強化し得る潜在的な分子標的の発見にも貢献しています。研究者たちは、能動的または受動的免疫化を受けた患者におけるアミロイドベータプラークの除去に関与する神経免疫メカニズムを研究しています（TREM2-APOE軸に関連する遺伝子のアップレギュレーション）。また、「空間的トランスクリプトミクスデータとクロマチンイメージングデータを統合するグラフベースの過剰パラメータ化オートエンコーダー（STACI）」という新しい計算フレームワークが、アルツハイマー病の新たなバイオマーカー候補を特定するために使用されました。

アルツハイマー病の研究以外にも、空間的トランスクリプトミクスは、筋萎縮性側索硬化症（ALS）におけるいくつかのリスク遺伝子や経路の調節不全について、新たな知見をもたらしています。

発生生物学

発生生物学の分野において、空間トランスクリプトミクスが極めて有効であることが複数の研究で示されています。Stereo-seq法を用いてマウスの器官形成における時空間トランスクリプトームアトラス（MOSTA）を作成したことで、背側中脳などの発生組織における細胞の空間的不均一性や細胞運命決定の分子基盤について、重要な知見が得られました。また別の研究では、空間トランスクリプトミクスを用いてヒト心臓発生における時空間的な遺伝子発現パターンをプロファイリングし、ヒト胚心臓における細胞型の分布と空間的構成をマッピングしました。  

さらに、マウス脳の全トランスクリプトームアトラスが、空間情報とともに作成されました。これは400万個以上の細胞を対象とし、308の細胞クラスターを単一細胞レベルの解像度で網羅したものです。このアトラスは、マウス脳の発生、機能、遺伝子制御を研究するための貴重なリソースとなります。

感染症

空間トランスクリプトミクスは、感染組織内の空間的文脈において宿主と病原体の複雑な相互作用を解析できるため、感染症研究を一変させています。この手法は、結核菌（緑膿菌、 多包条虫など）といった細菌感染症の研究に活用されています。また、SARS-CoV-2やHIVといったウイルス感染症の研究にも用いられています。研究者は、宿主と病原体の転写産物の共局在パターンを直接特定し、免疫応答を調節する宿主因子を発見しました。  

空間トランスクリプトミクスの課題と展望

空間トランスクリプトミクスのアプローチは極めて優れた知見をもたらしますが、いくつかの課題も存在します。空間トランスクリプトミクスの手法で生成されるデータの多くは膨大かつ複雑であり、RNA捕捉効率の低さ、PCR増幅のバイアス、シーケンスエラーなどが原因でノイズが含まれることがあります。そのため、画像処理、空間マッピング、およびシングルセルRNAシーケンスとの統合には、高度なアルゴリズムが必要となります。組織の固定、切片作成、染色の過程でアーチファクトが生じ、RNAの完全性や空間解像度に影響を与える可能性もあります。これらの問題を最小限に抑えるため、取り扱いや処理技術の最適化が求められています。

空間トランスクリプトミクスに必要な試薬、シーケンス、計算インフラは高コストであり、技術の普及を妨げる要因となっています。また、これらの手法は実験ワークフローが複雑であり、分子生物学、バイオインフォマティクス、顕微鏡観察の専門知識を持つ研究者が必要です。正確な解析と解釈には学際的なスキルが不可欠です。さらに、研究室ごとにプロトコルが大きく異なるため、研究間での結果比較が困難であるという課題もあります。

こうした課題はあるものの、空間トランスクリプトミクスの分野は急速に進化を続けており、空間解像度の向上、感度の向上、スループットの改善に向けた取り組みが進行中です。また、他のオミクスデータと統合する空間マルチオミクスという手法も期待されており、ゲノミクス、プロテオミクス、エピゲノミクス、メタボロミクスを空間的な枠組みの中で組み合わせることで、生物学的・病理学的プロセスをより包括的に理解できるようになるでしょう。

現在、データ解析手法の改善が進み、ノイズの低減によるSTデータの理解向上が図られています。他の多くの生物医学分野と同様、AIはデータ解析の効率化と洞察の深化を通じて、空間トランスクリプトミクスに革命をもたらそうとしています。最近の例としては、乳がん生検の組織病理スライドから空間的な遺伝子発現を直接予測し、化学療法やトラスツズマブへの反応を予測する深層学習モデルPath2spaceや、単一細胞レベルの解像度と全ゲノムカバレッジを実現する機械学習ベースの手法Spotiphyなどが挙げられます。生体内（In vivo）での空間トランスクリプトミクス手法はまだ初期段階ですが、研究の進展により近い将来実現可能となるでしょう。  

今後の空間トランスクリプトミクスの未来は明るいと言えます。基礎研究における画期的な発見をさらに促進し、トランスレーショナル医学への影響をますます強めていくことが期待されます。