空间表观基因组学

01概述与价值链

标记：[EC：体外诊断法规（IVDR）C类 | OECD：基因组学与生物信息学 | 监管机构：FDA（美国）、EMA（欧盟）、NMPA（中国）]

空间表观基因组学在保留所研究组织空间结构的同时，绘制表观遗传景观——染色质可及性、DNA甲基化及组蛋白修饰。传统的bulk甚至单细胞ATAC-seq均需将组织完全解离为单个细胞，这一步骤会丢失细胞间相对位置、氧梯度及空间相互作用等信息。保留组蛋白甲基化标记（H3K4me3标记活跃启动子，H3K27me3标记沉默区域）的空间图谱，能够揭示细胞如何在邻近细胞或治疗药物影响下改变表型——这与研究肿瘤细胞亚群及其微环境直接相关。继Bruker于2024年收购NanoString空间生物学业务后，CosMx平台如今已能通过6000重靶标检测实现单细胞分辨率的全转录组成像，而Vizgen新推出的MERFISH 2.0化学及增强版OmniVue面板则为空间多组学扩展了ADC生物标志物检测能力。创新的空间条形码方法——空间ATAC-seq、空间CUT&Tag及多重荧光原位杂交（FISH）——构成了该领域的技术核心。

空间表观基因组学的关键方向：

1. 微通道确定性组织条形码技术（DBiT-seq）： 将独特的寡核苷酸条形码沿相互垂直的微通道流经组织切片，生成分辨率低至10微米的二维坐标网格（X、Y）。
2. 空间Tn5转座： 使用改造的Tn5转座酶，直接在组织切片的细胞核内同时进行开放染色质片段化及接头连接。
3. 空间CUT&Tag与CUT&RUN： 通过抗体引导，在原位将Tn5或微球菌核酸酶栓系至特定组蛋白标记，在保留组织坐标的同时绘制其全基因组分布图谱。
4. 三维表观遗传图谱重建： 将带坐标标签的测序读长与组织学图像进行生物信息学整合，生成器官或肿瘤染色质状态的三维图谱。

行业价值链

[组织冷冻切片制备（10微米）] ──> [带空间条形码的原位Tn5转座] ──> [从载玻片收集DNA文库]
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                     [生物信息学空间重建] <─── [高通量测序（NGS）] <┘

价值链层级

该行业的跨领域技术：

• 确定性组织条形码技术（DBiT-seq）： 将独特的寡核苷酸条形码沿相互垂直的微通道流经组织切片，生成分辨率低至10微米的二维坐标网格。
• 空间Tn5转座： 改造的Tn5转座酶，直接在组织切片的细胞核内（而非解离的细胞悬液中）同时进行开放染色质片段化及接头连接。
• 多重空间成像平台： 基于成像的商业化空间平台（CosMx、MERFISH/MERSCOPE），可在完整组织切片上以亚细胞分辨率直接读取数千个RNA及蛋白质靶标。

02美国

美国在空间分析系统的专利申请及商业化方面保持全球领先地位，主要平台供应商总部均设于国内，并获得大型联邦基因组学计划的资助。

NanoString的CosMx（现隶属Bruker）、Vizgen的MERFISH 2.0、EpiCypher的CUT&Tag/CUT&RUN试剂

• NanoString的CosMx归入Bruker Spatial Biology： 继Bruker于2024年收购NanoString空间生物学资产后，CosMx空间分子成像仪已实现单细胞分辨率的全转录组成像，并推出6000重RNA检测，将该平台的覆盖范围从靶向面板扩展至全基因组空间图谱分析。
• Vizgen的MERFISH 2.0及OmniVue扩展： Vizgen于2026年推出MERFISH 2.0化学及具备抗体-药物偶联物（ADC）生物标志物检测能力的增强版OmniVue面板，同时在AGBT 2026上公布了空间多组学路线图，并在Human Cell Atlas 2026会议上展示了新的体积组织制图能力。
• EpiCypher的CUT&Tag/CUT&RUN试剂平台： EpiCypher提供CUTANA系列CUT&Tag及ChIC/CUT&RUN试剂盒、经SNAP认证的组蛋白标记抗体，以及多组学CUT&RUN分析，众多学术及商业化空间表观基因组流程均建立在这些产品之上，用于抗体引导的染色质图谱分析。
• 联邦研究资助： 美国国家人类基因组研究所（NHGRI）及NIH人类生物分子图谱计划（HuBMAP）的大额资助，为大部分底层空间组学方法的开发提供了资金。

03中国

中国押注于独立自主的亚细胞分辨率空间测序硬件，以华大基因（BGI）集团的Stereo-seq平台为依托，并将空间表观基因组学应用于发育及干细胞图谱研究。

BGI的Stereo-seq平台适配空间CUT&Tag、上海与北京的发育图谱项目

• BGI基于DNA纳米球芯片的Stereo-seq平台： BGI集团的Stereo-seq——基于DNA纳米球芯片的空间分辨转录组学——正被积极改造用于表观遗传学应用（空间CUT&Tag），为中国提供了一条区别于美国成像类平台的自主技术路线。
• 发育及干细胞图谱项目： 中国上海及北京的学术中心正利用空间表观基因组学构建详细的胚胎发育图谱及植物干细胞结构图谱，但在当前搜索范围内，未能就BGI自身平台之外的具体商业供应商找到2025-2026年的独立确认——在获得更充分的公开披露之前，BGI以外的国内商业供应商格局最好以定性方式描述。
• NMPA监管： 涉及临床应用的空间诊断应用须纳入中国国家药品监督管理局的监管框架，同时也是更广泛精准医学监管推进的一部分。

04欧盟

欧盟在空间对齐及多组学数据整合的生物信息学算法开发方面处于领先地位，同时也涌现出新兴的商业化空间生物学硬件制造商。

Lunaphore的COMET平台、欧盟样本制备协议标准化、IVDR C类监管

• Lunaphore的COMET多组学平台： 这家瑞士公司的COMET平台可实现全自动化、同切片、高通量的超复用空间生物学分析，该公司将其定位为推动空间生物学从单纯研究用途走向临床研究应用的关键一步。
• 协议标准化推进： 欧洲项目高度重视样本制备标准操作规程（SOP）的标准化，这对于空间表观基因组学结果应用于新药临床试验时的可重复性至关重要。
• IVDR C类监管： 随着空间平台向临床诊断应用迈进，它们被纳入欧盟体外诊断法规下的C类设备监管，需要对跨机构、跨操作人员的可重复性进行严格验证。

05领先企业与研究机构

06技术栈与创新

1. 分子技术栈与生物制剂

• Tn5转座酶： 具有高效原位DNA片段化及连接活性的超纯重组蛋白。
• 经验证的组蛋白修饰抗体： 针对H3K4me3（活跃启动子标记）、H3K27me3（沉默标记）及H3K27ac（活跃增强子标记）的单克隆抗体。
• 组织中Tn5扩散建模： 预测Tn5在组织切片深度方向浓度分布的模型，同时考虑通过固定细胞质及核膜的有效扩散，以及与开放染色质的一级结合动力学——用于优化酶孵育时间及浓度，以实现均匀的标记深度。

2. 仪器技术栈与分析设备

• 高通量测序仪： Illumina NovaSeq 6000、华大智造（MGI）DNBSEQ-T7。
• 微流控条形码标记工作站： 带压力控制的DBiT-seq类平台系统。
• 高精度低温恒温箱： 徕卡CM3050 S等仪器，用于获得平整、无撕裂的组织切片。
• 整合分析软件： Seurat的Spatial模块、Scanpy及Squidpy，用于对代谢及表观遗传轨迹进行联合空间分析。

07价值链与生产管线

空间ATAC测序（Spatial ATAC-seq）的产业实验室管线

┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 1. OCT包埋组织并冷冻        │ ───> │ 2. 载玻片固定切片           │
│    切片（10微米）           │      │    （多聚赖氨酸处理）        │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
                                                 │
                                                 ▼
┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 4. 通过微流控生成          │ <─── │ 3. 原位Tn5转座             │
│    二维条形码网格           │      │    （寡核苷酸接头）          │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
              │
              ▼
┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 5. 收集DNA文库、           │ ───> │ 6. 生物信息学坐标           │
│    PCR扩增及测序           │      │    映射与可视化             │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘

阶段1：样本制备

新鲜冷冻肿瘤组织被包埋于OCT聚合物介质中，在-20°C下于低温恒温箱中切成10微米厚的切片。

阶段2：固定与透化

切片装载于专用载玻片上。经甲醛温和固定及去污剂（Triton X-100）处理，使蛋白质能够进入细胞核。

阶段3：染色质转座

将重组Tn5转座酶施加于切片上，其渗透进入细胞核，并精确地在开放的、无核小体的DNA区域插入接头。

阶段4：坐标条形码标记

在切片上覆盖聚合物微流控芯片。条形码组A寡核苷酸（X坐标）沿第一套通道系统流动。随后芯片旋转90度，条形码组B（Y坐标）配合连接酶通过第二套通道系统引入。

阶段5：测序

DNA从载玻片上释放，经磁珠纯化，并通过PCR扩增制备文库，供Illumina或华大智造仪器进行高通量测序。

阶段6：甲基化组重建

生物信息学流程将测序DNA读长映射至坐标网格，并将染色质可及性图谱叠加在切片的组织学照片上进行可视化。