CosMx SMI 單細胞空間原位分子成像系統(tǒng)

CosMx SMI 單細胞空間原位分子成像系統(tǒng)是一款具有突破性的單細胞空間原位成像平臺，結(jié)合了超高分辨率成像技術和多靶標檢測能力，可在單細胞和亞細胞水平對組織中的分子進行分析。

·                      功能特點：

·                      超高分辨率成像：具備真正意義的單細胞甚至亞細胞分辨率，可精細觀察細胞內(nèi)分子分布和細胞間差異。利用多模態(tài)細胞分割方法，綜合細胞核、細胞膜等多種形態(tài)學標記成像和機器學習增強技術，能精準識別和界定單細胞邊界。

·                      超多靶標檢測能力：可在單張切片上以單細胞分辨率分析 6000+RNA 靶標，甚至可實現(xiàn)全轉(zhuǎn)錄組（約 19,000 種 RNA）分析，還能對 64 種以上蛋白質(zhì)靶標進行單細胞分辨率的空間定位和表達定量。此外，支持定制添加額外的 RNA 或蛋白質(zhì)靶標，滿足不同研究需求。

·                      強大的分析功能：能夠繪制單細胞空間圖譜，定義細胞類型、細胞狀態(tài)、組織微環(huán)境表型以及基因表達網(wǎng)絡。有助于研究細胞間相互作用，解析由配體 - 受體相互作用控制的生物學過程。還可用于空間生物標志物發(fā)現(xiàn)，量化治療背景下的基因表達變化，識別具有空間背景的單細胞亞細胞生物標志物。

·                      廣泛的樣本兼容性：支持多種樣本類型，包括福爾馬林固定石蠟包埋（FFPE）、新鮮冷凍（FF）、組織芯片（TMA）、類器官等，適用于人類和小鼠樣本檢測。

·                      簡便的樣本制備與操作：采用標準的病理載玻片和簡便的免疫組化樣本制備方法，無需酶介導，無需進行 cDNA 合成或核酸擴增，可直接應用于標準病理切片。儀器設定操作簡單，支持靈活選擇掃描區(qū)域。

·                      高度自動化集成：是一個高度自動化的集成系統(tǒng)，具備成熟的原位雜交循環(huán)成像流程、高分辨率成像信號采集、交互式數(shù)據(jù)分析和可視化軟件。其穩(wěn)定、高效的原位雜交循環(huán)成像化學方法，通過光漂白方式對樣本進行無損信號清除，支持更多輪循環(huán)，實現(xiàn)超多重靶標檢測分析。

·                      技術原理：針對目標基因設計 “原位雜交探針”，探針分兩段，第一段結(jié)合目標基因，第二段為讀出域。報告探針一部分與讀出域互補雜交，另一部分與熒光染料結(jié)合。基因檢測一次完整的探針雜交過程共包括 16 輪，每輪雜交都會有 4 種顏色的熒光染料。經(jīng)過 16 輪雜交，每個 RNA 分子會讀出一個特定的熒光 Barcode 序列，通過查詢對照表可對空間原位基因進行定性。蛋白檢測原理與之相似，用帶有核酸標簽鏈的抗體識別目標蛋白，抗體結(jié)合蛋白后，標簽核酸鏈與報告探針以及熒光染料分子雜交，發(fā)出熒光信號，同樣通過多輪循環(huán)雜交得到熒光 barcode 序列，查詢對照表鑒定蛋白種類。

·                      分析流程：首先進行樣本制備，可使用新鮮冷凍、福爾馬林固定石蠟包埋等多種類型組織樣本，采用標準病理載玻片和簡便的免疫組化樣本制備方法，無需酶介導，無需進行 cDNA 合成或核酸擴增。然后將樣本放置于儀器中，利用儀器的全自動熒光顯微鏡、微流控系統(tǒng)等部件，通過原位雜交循環(huán)成像技術和自動化顯微成像技術進行成像，實現(xiàn)單細胞分辨率組織原位上的多靶標 RNA 和蛋白質(zhì)檢測1。最后，通過數(shù)據(jù)分析及可視化軟件對獲取的圖像數(shù)據(jù)進行分析，可分析細胞類型、細胞間相互作用、基因表達差異等，繪制單細胞空間圖譜等。

·                      應用領域：

·                                            Tumor生物學：以單細胞分辨率揭示組織空間表型，開展Tumor微環(huán)境研究，解析Tumor異質(zhì)性，發(fā)現(xiàn)或驗證生物標記物，為優(yōu)化臨床策略提供重要信息。

·                                            神經(jīng)科學：構建大腦空間圖譜，識別不同神經(jīng)細胞類型、基因表達空間模式及相互作用，揭示神經(jīng)退行性等神經(jīng)疾病的發(fā)生發(fā)展機制，開發(fā)潛在干預或治療方案。

·                                            免疫學研究：在單細胞和亞細胞水平上展示免疫全景，評估免疫細胞群體的異質(zhì)性，及其與疾病進展的關系。

·                                            藥物研發(fā)與評估：評估藥物對細胞和組織的影響，分析藥物作用機制，為藥物研發(fā)和臨床應用提供支持。

·                                            生物標志物發(fā)現(xiàn)：對治療背景下的基因表達變化進行量化，識別具有空間背景的單細胞亞細胞生物標志物，為疾病診斷和治療提供靶點。

CosMx SMI 單細胞空間原位分子成像系統(tǒng)在Tumor研究中應用廣泛，以下是一些具體案例：

揭示乳腺癌Tumor異質(zhì)性和基質(zhì)動態(tài)變化：在 2025 年 AACR 海報中，有研究利用 CosMx WTX 空間單細胞全轉(zhuǎn)錄檢測方案，對浸潤性導管癌（IDC）的福爾馬林固定石蠟包埋（FFPE）樣本進行分析。基于全轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，通過半監(jiān)督聚類方法進行細胞分型和空間鄰域分析，確定了原發(fā)性Tumor區(qū)域和浸潤性Tumor區(qū)域，且每個區(qū)域又有不同子區(qū)域。研究發(fā)現(xiàn) T 細胞亞群等基質(zhì)細胞表現(xiàn)出不同空間表達模式，還通過擾動分析確定了各空間域中受擾動的標記基因和通路，如 S100A7 在Tumor核心區(qū)升高促進血管生成，ALCAM 在Tumor外圍富集支持侵襲等，為開發(fā)空間生物標記物和治療靶點奠定了基礎。

發(fā)現(xiàn)Tumor免疫逃逸新機制：有研究團隊使用包括 CosMx 在內(nèi)的多種空間測序和成像手段，證明了三群 “癌 - 胚” 細胞間的空間共定位關系，且它們共同限定在 “癌 - 胚” 巢中，有助于深入理解Tumor免疫逃逸機制。

闡釋肺腺癌Tumor消退機制：帕多瓦大學的研究團隊利用 CosMx 技術研究 KRas - G12D 抑制劑消滅Tumor的過程中，機體的響應和Tumor消退機制。研究人員對誘發(fā)肺腺癌的小鼠使用 KRas 突變體的分子抑制劑，然后通過 CosMx 小鼠 1000 重 RNA 單細胞空間轉(zhuǎn)錄組方案進行檢測分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CosMx 能鑒定出單細胞測序數(shù)據(jù)中的細胞類型，還為細胞類型和狀態(tài)增加了組織空間信息，如 2 型肺腺癌細胞主要出現(xiàn)在Tumor邊緣，1 型則在Tumor腫塊內(nèi)部等。同時，研究人員還通過該技術繪制了細胞 - 細胞相互作用的空間圖譜，分析了抑制致癌 KRAS 活性對肺部Tumor的影響。

揭秘Tumor微環(huán)境新細節(jié)：德克薩斯大學 MD Anderson 癌癥中心的研究團隊在《Nature Medicine》發(fā)表的研究中，利用 CosMx 技術對復雜Tumor微環(huán)境中的 T 細胞轉(zhuǎn)錄組狀態(tài)進行解析。研究發(fā)現(xiàn)Tumor微環(huán)境中存在 T 細胞應激反應狀態(tài)（TSTR），并通過 CosMx 技術確認了它們在組織原位中的空間定位和分布，其主要集中在淋巴細胞聚集區(qū)或Tumor邊緣潛在的三級淋巴結(jié)構中。TSTR 細胞以熱休克基因的高表達為特征，可能在Immunotherapy抵抗中起到重要作用，為Tumor治療提供了潛在靶標。

CosMx SMI 單細胞空間原位分子成像系統(tǒng)的檢測原理基于原位雜交循環(huán)成像技術，通過設計特異性探針與目標分子結(jié)合，利用熒光信號實現(xiàn)對 RNA 和蛋白質(zhì)的單細胞和亞細胞分辨率原位檢測與定量。具體如下：

RNA 檢測原理：針對目標基因設計 “原位雜交探針（ISH）”，該探針分為兩段，第一段是針對目標基因的結(jié)合區(qū)域，可與目標 RNA 特異性結(jié)合，第二段為讀出域，包含四段不同的序列。報告探針一部分與讀出域互補雜交，另一部分與熒光染料結(jié)合。基因檢測一次完整的探針雜交過程共包括 16 輪，每輪雜交都會有 4 種顏色的熒光染料。在一輪雜交中，若 ISH 探針與特定的報告探針和熒光染料雜交，則發(fā)出相應顏色的熒光，未雜交則不發(fā)熒光。經(jīng)過 16 輪雜交，每個 RNA 分子會形成一個特定的熒光 Barcode 序列，通過查詢預先設計好的基因與 barcode 序列的對照表，就可以對空間原位基因進行定性，同時還可根據(jù)熒光信號強度等對 RNA 進行定量。

蛋白質(zhì)檢測原理：原理與基因檢測相似，用帶有核酸標簽鏈的抗體來識別目標蛋白，抗體相當于基因檢測探針的結(jié)合區(qū)域，核酸標簽鏈相當于讀出域。抗體結(jié)合到目標蛋白上后，標簽核酸鏈與報告探針以及熒光染料分子進行雜交，發(fā)出熒光信號。同樣通過多輪循環(huán)雜交，得到熒光 barcode 序列，查詢蛋白與 barcode 序列的對照表，從而鑒定原位檢測到的熒光點的蛋白種類和定量分析。

CosMx SMI 單細胞空間原位分子成像系統(tǒng)具有多靶標檢測、高分辨率成像、樣本兼容性強等優(yōu)勢，具體如下：

超高分辨率成像：具備真正意義的單細胞甚至亞細胞分辨率的空間分析能力，可精準呈現(xiàn)細胞內(nèi)分子分布細節(jié)，有助于深入研究細胞功能和機制。

多靶標檢測能力強：能夠?qū)M織切片中約 19,000 種 RNA 和 64 種以上蛋白質(zhì)分子進行原位成像，可在單張切片上以單細胞分辨率分析 6000+RNA 靶標，甚至全轉(zhuǎn)錄組，支持更精細的細胞分型與更全面的生物學通路剖析。

樣本兼容性好：兼容福爾馬林固定石蠟包埋（FFPE）、新鮮冷凍（FF）、組織芯片（TMA）、類器官等多種樣本類型，方便研究人員利用不同來源的樣本進行研究。

檢測靈敏度高：可有效檢測低表達基因，能在單細胞水平捕捉低拷貝數(shù)基因轉(zhuǎn)錄本，為研究一些微量表達的基因提供了可能。

分析功能全面：可繪制單細胞空間圖譜，詳細展示細胞鄰域和組織微環(huán)境，支持細胞配受體檢測，有助于深入研究細胞間相互作用、細胞通訊和細胞狀態(tài)，還可用于空間生物標志物發(fā)現(xiàn)等多種研究。

樣本制備簡單：采用標準的病理載玻片和簡便的免疫組化樣本制備方法，無需酶介導，無需進行 cDNA 合成或核酸擴增，精簡了工作流程，減少了實驗操作步驟和時間。

自動化程度高：是一個高度自動化的集成系統(tǒng)，具備成熟的原位雜交循環(huán)成像流程、高分辨率成像信號采集、交互式數(shù)據(jù)分析和可視化軟件，操作相對簡便，降低了人為誤差。

成本效益高：基于 CosMx 成像技術的單細胞檢測成本比傳統(tǒng)單細胞測序方法低數(shù)十倍，可在較低成本下實現(xiàn)較高的細胞通量，能讓生物制藥行業(yè)等以更高的效率和性價比加速藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)。

以下是一些關于 CosMx SMI 單細胞空間原位分子成像系統(tǒng)的研究文獻資料：

《使用空間分子成像技術對人 FFPE 組織進行整體編碼蛋白基因亞細胞成像》4：Bruker-NanoString 團隊在 bioRxiv 預印本上發(fā)表的此篇文章，介紹了 CosMx Whole Transcriptome（WTx）技術可在 CosMx 空間分子成像儀上以單分子分辨率檢測 18,936 種人類編碼基因，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)錄組深度與空間信息的結(jié)合。研究分析了結(jié)腸、胰腺等 6 種不同組織類型的 FFPE 切片，驗證了該技術在多種復雜樣本中的有效性。

《Presence of onco - fetal neighborhoods in hepatocellular carcinoma is associated with relapse and response to immunotherapy》：2024 年 1 月，上海市免疫學研究所科學家團隊聯(lián)合澳大利亞科廷大學及新加坡國家癌癥中心科學家團隊在《Nature Cancer》雜志在線發(fā)表此論文。研究利用 CosMx 單細胞空間原位分子成像技術等多種前沿工具，系統(tǒng)揭示了 “癌 - 胚” 重編程過程在肝細胞癌復發(fā)及抵抗Immunotherapy過程中的重要作用，證明了 “癌 - 胚” 細胞間的空間共定位關系和 HCC Tumor內(nèi) “癌 - 胚” 巢的存在。

【2025AACR 海報】「強強聯(lián)合」以納米級超高分辨率進行空間全轉(zhuǎn)錄組 CRISPR 篩選：該海報展示了 CosMx 在高通量 CRISPR 篩選中的實用性，它能準確識別引入的 CRISPR 模塊，并將基因編輯與組織空間背景下的全轉(zhuǎn)錄組反應相關聯(lián)。CosMx WTX 空間單細胞全轉(zhuǎn)錄組方案可對幾乎整個人類蛋白編碼基因進行亞細胞分辨率成像，同時保留細胞的空間信息，在癌癥基礎研究與轉(zhuǎn)化應用之間架起了橋梁。

此外，在 2023 年 AACR 大會上，有 60 份研究摘要主要使用了 CosMx SMI 單細胞空間分子成像系統(tǒng)。相關研究利用該系統(tǒng)在單細胞的高分辨率水平下實現(xiàn)對超多蛋白質(zhì)的表達檢測，追蹤病人轉(zhuǎn)移性Tumor在接受個體化治療過程中的組織空間遷移痕跡并分析機制。