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構成の複雑な関係を調べるための強力な技術を提供します。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の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分子の本来の場所にトランスクリプトミクスデータを割り当てるという目標を共有するいくつか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、相互作用に関する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、多くの生物学および医学分野を改善する可能性があることから、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アプローチ が存在しますが、研究者は近年、空間トランスクリプトミクスでエキサイティングな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に、科学情報の最大の人間によるキュレーションリポジトリである CAS コンテンツのコレクションTMを調査しました。10年前から空間トランスクリプトミクスに関連する出版物が大幅に増加（約150倍）していることがわかりました（図1を参照）。特許出版物と比較してジャーナル出版物が文献の大半を占めており、商業化の大きな機会がまだ残されていることを示唆しています。
トランスクリプトーム解析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しい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ーム解析の仕組みと、研究の今後の方向性について探ります。
空間トランスクリプトーム解析とは何ですか？
現在、 トランスクリプトーム解析には主に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を参照）です。バルク・トランスクリプトーム解析は細胞の混合物における遺伝子発現を分析し、全体的な視点を提供しますが、シングルセルレベルでの解像度は不足しています。シングルセル・トランスクリプトーム解析は個々の細胞における遺伝子発現を解明し、細胞の不均一性や希少な細胞集団についての洞察を可能にしますが、空間的なコンテキストは失われます。
空間トランスクリプトーム解析は組織内での遺伝子発現の場所を保持し、細胞間の相互作用や組織構造を明らかにしますが、この技術には高度な計算分析が必要であることに留意しなければなりません。これらのアプローチは、それぞれ異なる研究課題に適しており、遺伝子制御に関する補完的な視点を提供します。
初期の空間トランスクリプトーム解析技術の一つに、FISH（蛍光 in situ ハイブリダイゼーション）があります。これは、無傷の細胞や組織内のRNA分子を直接可視化するものです。この手法は、標的となるRNA配列に相補的な、蛍光標識された短い DNAまたはRNA プローブを設計することで機能します。 これらのプローブはハイブリダイズします サンプル内の標的RNAに結合させ、蛍光顕微鏡を用いて蛍光シグナルの位置を検出します。
以下のような技術は、 1分子FISH（smFISH） 感度が向上しており、個々のRNA転写産物を回折限界スポットとして検出・定量することが可能です。FISHの初期の応用では、蛍光色素のスペクトルが重なるため、十分に特性が解明された少数のmRNAの空間分布を可視化することしかできませんでした。また、これらの初期の技術は、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。 こうした制限があるため、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分析を向上させる
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）、そして 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を参照）。技術の選択は、高解像度、広範な遺伝子カバレージ、標的分析の必要性など、具体的な研究目標に依存することがよくあります。CAS Content Collectionの出版数に見られるように、この分野は過去10年間で急速な技術的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直接分離する物理的な手段を提供します。目的の領域をマイクロダイセクション（微小切断）した後、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）を用いて分析します。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によって定義された特定の空間的位置を結びつけることが可能になります。
LMDは空間的な分離に焦点を当てており、 in situ 分析とは異なりますが、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、および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。 新しい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の不均一性を理解し、疾患を進行させている特定の細胞集団を特定し、標的療法を導く上で極めて重要となる可能性があります。
ISH法
ISHは多くの技術を包含しており、 標識プローブを使用して、細胞や組織内の特定の核酸配列（DNAおよびRNAの両方）を、その空間的コンテキストを保持したまま検出します。FISHと同様に、ISHは標識プローブの標的配列へのハイブリダイゼーションに依存しています。しかし、ISHは蛍光以外のさまざま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で可視化することが可能です。
発色検出（酵素を用いて有色の沈殿物を生成するなど）を用いた従来のISHは、発生生物学や組織学において数十年にわたり基本的な技術であり、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。最近のマルチプレックスFISHである MERFISHや、 seqFISH、その他のバリエーションは、組み合わせ標識と連続的なハイブリダイゼーションおよびイメージングのラウンドを採用することで、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
これらの手法では通常、組織切片内でRNAを相補的DNA（cDNA）に変換し、続いて in situ 増幅および シーケンシング を行います。その際、さまざまなエンコーディング戦略が用いられます。配列情報は、ハイブリダイゼーション、ライゲーション、または酵素反応を繰り返す工程と、高解像度イメージングを組み合わせることでデコードされます。得られたデータは、細胞内解像度で多数のRNA転写物の正体とその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）、 蛍光in situシーケンシング （FISSEQ）、および パドロック プローブを用いたシーケンシング法などが挙げられます。これらの技術は高いマルチプレックス性を実現し、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を可能にします。
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シーケンシングを行います。各cDNA分子に関連付けられた空間バーコードをデコードすることで、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することができます。
表1：異なるST技術の比較
カロリンスカ研究所で開発された オリジナルの空間トランスクリプトーム技術は、ISC手法の代表的な例であり、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、空間的にバーコード化されたマイクロアレイを使用してmRNAを捕捉します。その後の技術革新には、 Slide-seqがあり、これはスライド上に配置されたDNAバーコード付きビーズを使用します。
初期のISC手法は、捕捉スポットやビーズのサイズに制限され、空間分解能が比較的低いものでした。その後、空間バーコードの密度を高め、捕捉領域を縮小し、mRNAの捕捉とcDNA合成の効率を向上させることで、大きな進歩を遂げました。 高精細空間トランスクリプトーム （HDST）や Slide-seqV2 といった技術は、分解能を劇的に向上させ、場合によっては単一細胞レベルにまで近づいています。
ISC手法は、全トランスクリプトームの空間プロファイリングにおいて、拡張性が高く比較的費用対効果に優れたアプローチを提供するため、基礎研究、創薬、そして将来的には臨床診断における大規模な研究にとって魅力的な手法となっています。空間的な文脈でトランスクリプトーム全体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視点を提供します。
疾患生物学と創薬の理解を深める空間トランスクリプトーム
遺伝子発現の空間的な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をもたらします。また、これは創薬や開発にも影響を与えます。現在、空間トランスクリプトームが特に注目されている4つの分野は、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も重要な課題の一つは、腫瘍の不均一性と、腫瘍とその周囲の微小環境（TME）との間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、複雑で絶えず進化する実体です。空間トランスクリプトームの進歩により、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システム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が能動的な 促進因子であるということが広く認められています がんの進行において単なる中立的な存在ではなく、がんの増殖、転移、耐性、あるいは様々な治療に対する感受性を直接的または間接的に制御しています。空間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、腫瘍と腫瘍微小環境（TME）、および腫瘍と免疫細胞の相互作用を研究するための優れたツールであり、腫瘍生物学の理解に新たな洞察をもたらします。
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（グリオブラストーマ）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され、特徴付けられました。これは生存率や標的療法への反応を予測する指標となりました。空間トランスクリプトミクスは、 乳がん研究 においても、腫瘍の不均一性やTMEが駆動する薬物反応を研究するために広く利用されています。
神経科学
脳の驚異的な機能的複雑性は、多様な神経細胞およびグリア細胞集団間の精密な空間配置と接続から生じています。空間トランスクリプトミクスには、 この組織化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ようになるのか、異なる脳領域がどのように特定されるのか、そしてこの精巧に調整された構造の破綻がどのように様々な神経疾患の発症や進行につながるのかについて、洞察を提供する能力があります。
現在、空間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プレーヤーを解読するために使用されています。マウスモデルにおいて、 科学者たちは遺伝子の共発現ネットワークを特定しました （それぞれ、疾患の初期段階と後期段階に関与する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、 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（能動的または受動的免疫を受けた患者におけるTREM2-APOE軸に関連する遺伝子の上方制御）。また、 新しい計算フレームワーク 「STACI（Spatial Transcriptomic data using over-parameterized graph-based Autoencoders with Chromatin Imaging data）」を統合することで、アルツハイマー病の新たなバイオマーカー候補を特定しました。
アルツハイマー病の研究以外にも、空間トランスクリプトミクスはいくつかの分野で新たな知見をもたらしています。 リスク遺伝子 および 筋萎縮性側索硬化症における経路の調節不全 （ALS）。
発生生物学
発生生物学における空間トランスクリプトミクスの有用性は、いくつかの研究で強調されています。 Stereo-seq法 を適用してマウス器官形成の時空間トランスクリプトミクスアトラス（MOSTA）を作成することで、研究者は背側中脳などの発生組織における空間的な細胞の不均一性と細胞運命決定の分子基盤について、貴重な知見を得ました。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、ヒト胎児心臓における細胞型の分布と空間的組織化をマッピングしました。
また別の進展として、マウス脳の全トランスクリプトミクスアトラスが 空間情報とともに作成されました 。これはシングルセル解像度で308の細胞クラスターを対象とし、400万個以上の細胞を含んでいます。これはマウス脳の発生、機能、および遺伝子調節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、感染組織の空間的コンテキスト内における宿主と病原体の複雑な相互作用を分析する能力を提供することで、感染症の研究を一変させています。この手法は、以下のような細菌感染症の研究に成功裏に活用されています。 結核菌（Mycobacterium tuberculosis）、 緑膿菌、 および 多包条虫。また、以下のようなウイルス感染症の研究にも使用されています： SARS-CoV-2 および HIV。研究者は、宿主と病原体の転写産物の特定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機会
空間トランスクリプトミクスのアプローチは非常に優れた洞察をもたらしますが、いくつかの課題も伴います。 ほとんどの空間トランスクリプトミクス 手法によって生成されるデータは膨大かつ複雑であり、RNA捕捉効率の低さ、PCR増幅バイアス、またはシーケンシングエラーのために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シーケンシングとの統合には、高度な アルゴリズム が必要となることがよくあります。組織の固定、切片作成、染色は、RNAの完全性や空間分解能に影響を与えるアーティファクトを引き起こす可能性があります。これらの問題を最小限に抑えるためには、取り扱いおよび処理技術を最適化する必要があります。
空間トランスクリプトミクスに必要な試薬、シーケンシング、および計算インフラストラクチャは高額になる可能性があり、これらのイノベーションの利用を制限しています。また、 これらのアプローチには複雑な実験ワークフローが伴い、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。正確な分析と解釈には、学際的なスキルが不可欠です。さらに、空間トランスクリプトミクスのプロトコルは研究室によって大きく異なるため、研究間で結果を比較することが困難になっています。
こうした課題があるにもかかわらず、 空間トランスクリプトミクス分野は急速な進化を続けており、空間分解能の向上、感度の向上、スループットの改善に向けた取り組みが継続されています。もう一つの可能性として、他のオミクスデータとの統合、いわゆる 空間マルチオミクスがあります。これは、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、生物学的および病理学的なプロセスをより包括的に理解できる可能性があります。
現在進行中の進歩により、データ分析手法が改善され、 ノイズが低減されることで、STデータの理解が深まっています。他の多くの生物医学分野と同様に、 人工知能 は、データ分析をより効率的かつ洞察に満ちたものにすることで、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、 Path2spaceがあります。これは、乳がん生検の組織病理学スライドから直接空間的な遺伝子発現を予測し、化学療法およびトラスツズマブに対する患者の反応を予測するために設計されたディープラーニングモデルです。また、 Spotiphyは、単一細胞レベルの解像度と全ゲノムをカバーすることを可能にする機械学習ベースのアプローチです。 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にありますが、現在進行中の研究努力により、近い将来実現可能になるでしょう。
今後を見据えると、空間トランスクリプトミクスの未来は有望です。基礎研究におけるさらなる画期的な発見を促進し、トランスレーショナル医学への影響をますます高めていく態勢が整っています。
