NanoString发布的CosMx™ﾠSMI单细胞空间原位分子成像平台，结合了超高分辨率成像技术和多靶标检测能力，能够在单细胞及亚细胞分辨率下对超多靶标（RNA和蛋白）的空间原位信息进行可视化和定量分析。众所周知，FFPE样本的RNA和蛋白质往往质量较低、降解严重，因此对其进行分析极具挑战性。CosMx™ﾠSMI系统具有简单的样本制备流程和稳定的原位杂交化学原理，能够兼容多种组织类型的检测，包括新鲜冷冻组织（FF）、福尔马林固定石蜡包埋组织（FFPE）以及组织芯片（TMA）等。目前已有panel能够实现对6000种RNA和64种蛋白进行检测，能在保留靶标基因在组织原位空间信息的基础上，实现更高的基因组覆盖度，支持研究人员透彻解析组织和细胞异质性，深入研究背后的生物学功能，发现重要的生物标志物。
自CosMx™ SMI商业化发布以来一年左右的时间里，利用CosMx™ SMI平台技术已开展的研究项目＞150项；涉及的组织类型＞70种；已正式发表见刊的研究成果文章＞30篇。
CosMx™ SMI工作原理
针对目标基因设计“原位杂交探针”（ISH），探针分2段，第一段是针对目标基因的结合区域（Target bindingdomain），第二段为读出域（Readout domain），包括四段不同的序列，分别与特定的报告探针（Reporter）进行杂交。报告探针，一部分与Readout domain互补杂交，另一部分与荧光染料结合，在激发光的照射下发出荧光，报告目标RNA的存在。
1000基因panel的一次完整的探针杂交过程共包括16轮，每轮杂交都会有4种颜色的荧光染料（报告探针与荧光染料结合处有一个紫外光敏感的基团，被紫外光照射时，敏感基团断裂，导致荧光染料和报告探针断裂，然后被缓冲液洗掉，进行下一轮杂交）。在一轮杂交中，一个ISH探针若与特定的报告探针和荧光染料杂交，则发出相应颜色的荧光，若在这一轮没有与对应的报告探针杂交，则不发荧光。
经过16轮杂交，每一个RNA分子在每一轮中是否发出荧光（0ﾠorﾠ1）以及发出荧光的颜色，会读出一个特定序列（即荧光Barcode序列），通过查询预先设计好的基因与barcode序列的对照表，就可以对空间原位基因进行定性。
蛋白检测原理与基因检测原理相似，只不过蛋白检测用的是带有核酸标签链的抗体来识别目标蛋白（抗体相当于基因检测探针的Target binding domain区域；核酸标签链相当于Readout domain）。抗体结合到目标蛋白上，标签核酸链与报告探针以及荧光染料分子进行杂交，发出荧光信号。通过多轮循环的杂交，得到荧光barcode序列，然后查询蛋白与barcode序列的对照表，从而鉴定原位检测到的荧光点的蛋白种类。
蛋白检测原理
CosMx™ SMI工作流程
CosMx™ﾠSMI提供了一个从样本制备到数据分析的完整检测分析流程，包括经过验证的试剂盒、超高分辨率下的成像仪器以及数据分析及可视化软件。并且工作流程简单，通过探针原位杂交，无需进行组织清除以及cDNA合成和扩增，能够更快地得到实验结果。其工作流程包括：
（1）样本制备：按照标准流程进行FFPE切片或新鲜冷冻切片的制备。
（2）探针杂交及形态学marker标记：对制备好的组织切片，进行原位杂交探针或带有核酸标签链的抗体杂交（使单个细胞中的基因或蛋白与特定的特异性RNA探针或抗体结合），并进行形态学marker标记（用于后续识别并界定细胞）。
（3）多轮杂交成像：组织切片放入CosMx™ SMI仪器中，进行多轮报告探针杂交和荧光成像。
工作流程
CosMx™ SMI产品优势
● 兼容多种样本类型：包括石蜡包埋组织、新鲜冻存组织、穿刺样本、组织切片、组织芯片等多种类型；
● 超多靶标检测：能够分析6000种RNA和64种蛋白靶标，覆盖多个研究领域，提供更全面的组织原位信息；
● 原位单细胞识别：结合核染、膜染、形态学标记染色和AI算法进行准确的单细胞边界识别和界定；
● 高灵敏度和高动态检测范围：可在单细胞水平捕获低拷贝数基因转录本；
● 亚细胞分辨率：可以对切片做三维立体的成像分析，达到亚细胞的分辨率；
● 经过验证、稳定可信的检测方法：所有CosMx蛋白检测试剂盒均经过广泛的抗体验证，具有较高特异性、灵敏度和整体性能；
● 建立一个全面的信息框架：利用自动半监督聚类算法对细胞进行分类和精细分型，并对细胞中RNA和蛋白进行原位可视化及定量分析，获得全面的组织原位信息；
● 应用领域广泛：适用于多个领域的研究，包括：肿瘤、神经、免疫以及药物开发等。
CosMx™ SMI产品应用
● 绘制细胞空间图谱：在空间背景下鉴定细胞类型、细胞状态、组织微环境表型和基因表达网络；
● 发现稀有细胞：实现更精细的细胞分型；
● 差异表达分析：基于空间背景的单细胞转录组及蛋白差异表达分析；
● 细胞邻域分析：全面揭示组织微环境；
● 细胞通讯：配体-受体相互作用，揭示细胞间的相互作用机制；
● 空间生物标志物的发现和验证：识别空间背景下的单细胞生物标记物。
商业化panel
基因检测panel
蛋白检测panel
发表文献（案例一）
发表时间：2023年7月 发表杂志：Nature Communications 影响因子：16.6
炎症性肠病（IBD）是由免疫介导的慢性胃肠道疾病，分为克罗恩病（CD）和溃疡性结肠炎（UC），但这两种疾病在疾病进展和治疗反应等方面具有显著异质性。目前尚未建立有效的临床或生物学特征来解释和预测该现象，因此了解疾病异质性背后复杂的分子机制，成为亟需解决的问题。本项研究结合单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单细胞空间原位分子成像（CosMxTM SMI）对IBD进行深入分析。scRNA-seq数据发现IBD患者之间最大的差异存在于髓系细胞中，主要包括巨噬细胞和中性粒细胞。研究人员进一步利用了CosMx™ SMI单细胞空间原位分子成像技术对每个巨噬细胞和中性粒细胞亚群进行精细的空间定位和单细胞转录组表达检测，在组织空间维度全面揭示了巨噬细胞的多样性和可塑性，结果发现巨噬细胞和炎性成纤维细胞参与构建了强大的通讯网络，阐释了人类炎性肠病的细胞复杂性和导致IBD异质性的潜在机制。[1]
发表文献（案例二）
发表时间：2023年8月 发表杂志：Science 影响因子：56.9
肿瘤微环境（TME）能够影响癌症的进展，但极具有复杂性，往往因患者而异，探索微环境的异质性可能有助于揭示支配瘤内细胞程序和疾病预后程序。本研究对52例头颈部鳞状细胞癌进行了研究，重点研究不同肿瘤间的差异。研究者发现，由CXCL9和SPP1（CS）表达而非传统的M1和M2标记物定义的巨噬细胞极性与预后具有明显的相关性。通过在已发表的肺癌单细胞空间原位分子成像（CosMxTMﾠSMI）的数据验证，表明CS巨噬细胞极性确定了一个促癌或抗癌变量网络，该网络涉及每种肿瘤相关细胞类型，并且在空间上具有组织性。总之，这些结果表明，尽管TME非常复杂，但也能发现控制肿瘤的特征性反应，比如CS巨噬细胞极性。[2]
CXCL9:SPP1 TAM 极性确定了肿瘤中细胞程序的协调网络
引用文献
【1】Garrido-Trigo A, Corraliza AM, Veny M, et al. Macrophage and neutrophil heterogeneity at single-cell spatial resolution inhuman inflammatory bowel disease. Nat Commun. 2023;14(1):4506. P ublished 2023 Jul 26. doi:10.1038/s41467-023-40156-6
【2】Bill R, Wirapati P, Messemaker M, et al. CXCL9:SPP1 macrophage polarity identifies a network of cellular programs that controlhuman cancers. Science. 2023;381(6657):515-524. doi:10.1126/sci ence.ade2292
