空间转录组学与空间多组学

01概述与价值链#

标记 EC：人类细胞图谱 / 欧盟单细胞与空间组学 | OECD：基因组学与生物信息学 | 监管机构：FDA（美国）、EMA（欧盟）、NMPA（中国）

空间转录组学测量基因表达的同时保留每条转录本在完整组织切片上的物理位置，把解离的细胞悬液变成带坐标地址的分子地图。两类互补化学体系实现这一点：测序型方法（Visium、Stereo-seq）将组织置于带条码的点阵或 DNA 纳米球阵列上，原位捕获释放的 mRNA，再对条码测序还原回坐标，实现无偏的全转录组覆盖；成像型方法（Xenium、MERSCOPE/MERFISH、CosMx、Molecular Cartography）将荧光探针面板直接与切片上的 RNA 杂交，通过循环显微镜以亚细胞分辨率读取数百至数千个靶标。全球空间转录组成像仪市场从 2023 年的约 4.2 亿美元增长至 2026 年预计的 12.8 亿美元——年复合增长率 32.5%——截至 2025 年底已有超过 380 家科研机构与制药企业采购或租赁了仪器，其中肿瘤学贡献了 54% 的收入，制药终端客户占比从 2023 年的 28% 升至 2026 年的 43%。该技术正从研究新奇事物转变为药物发现与生物标志物流程：单次 CosMx 全转录组运行可原位成像超过 18,000 个人类 RNA 靶标，MERSCOPE Ultra 在约 100 纳米像素分辨率下跨 3 cm² 组织绘制约 1,000 个自定义基因，而同一切片 RNA 加蛋白质的"空间多组学"读出（CosMx Same-Cell Multiomics 上超过 19,000 个 RNA 加 72 个蛋白质）已成为竞争前沿。

空间转录组学与空间多组学的关键方向：

1. 基于 NGS 的空间捕获（Visium HD、Stereo-seq）： 组织置于带条码的点阵或 DNA 纳米球阵列上，实现从多细胞到亚细胞分辨率的无偏全转录组覆盖，再进行测序。
2. 基于成像的原位绘制（Xenium、MERSCOPE、CosMx）： 以真正的亚细胞分辨率对 500–1,000+ 基因的靶向面板进行循环荧光探测，检测单个转录本分子。
3. 空间多组学（同一切片 RNA + 蛋白质）： CosMx Same-Cell Multiomics、Visium 蛋白质与 Akoya PhenoCycler 在一张切片上读取 RNA 与 70+ 蛋白标志物，将表型与转录组关联到同一细胞。
4. AI 空间分析： 深度学习细胞分割、空间结构域识别（Vision-Transformer 模型）与邻域分析，将像素级信号转化为肿瘤微环境地图与空间生物标志物特征。

行业价值链#

[组织切片置于空间芯片] ──> [原位捕获 / 探针杂交] ──> [NGS 测序 或 循环成像]
                                       │
                            (条码 → 基因解码)
                                       │
                                       ▼
[空间生物标志物特征] <─── [AI 细胞分割与邻域分析] <─── [转录本坐标图]

价值链层级#

行业横切技术：

• 空间条码化阵列： 在芯片上图案化条码元件——Visium HD 点阵低至约 2 µm，Stereo-seq 的 DNA 纳米球元件低至约 500 nm——使每条被捕获的 mRNA 在 NGS 前就携带其坐标。
• 纠错组合条码（MERFISH）： 每个基因获得一个汉明距分离的二进制条码，在连续荧光循环中读取，使单分子 RNA 计数即使存在每轮读出错误仍保持准确。
• 细胞分割与空间 AI： 卷积与 Vision-Transformer 模型根据形态加信号将每条转录本归属到细胞，并识别人眼无法分辨的空间结构域与细胞邻域。

02美国#

美国主导空间组学平台供应：四大领先仪器厂商——10x Genomics、Vizgen、Akoya Biosciences 与 NanoString（现为 Bruker Spatial Biology）——总部均设在美国，北美约占全球装机容量的 68%。

10x Visium/Xenium、Vizgen MERSCOPE、Akoya PhenoCycler、NanoString/Bruker CosMx#

• 10x Genomics 与 Visium/Xenium 栈： 10x 拥有测序型 Visium 系列（Visium HD 在约 2 µm 接近单细胞分辨率）与成像型 Xenium In Situ 平台，其 Xenium Prime 5K 面板在亚细胞分辨率绘制 5,000 个基因——2026 年 1 月《Genome Biology》研究在六种癌症类型上正面比较了 Visium v1、v2/CytAssist、Visium HD、Xenium 与 CosMx。
• Vizgen MERSCOPE： Vizgen 的 MERSCOPE Ultra 使用 MERFISH 2.0 化学在约 100 纳米像素分辨率下跨 3 cm² 组织成像多达 1,000 个自定义基因；2026 年 bioRxiv 预印本报道其灵敏度较 MERFISH 1.0 提升约 8 倍，同时保持定量一致性（皮尔逊 r ≥ 0.8）。
• Akoya Biosciences 与 NanoString/Bruker： Akoya PhenoCycler-Fusion 是空间蛋白质组学领导者，通过循环免疫荧光加原位杂交 RNA 模块，在 0.25 µm/像素下每切片检测 100+ 蛋白标志物；NanoString 的 CosMx（现为 Bruker Spatial Biology）于 2024 年 2 月推出 6,000 维 RNA 面板，并推出可成像约 19,000 个基因的全转录组分析，2025 年扩展到 Same-Cell Multiomics，在一张 FFPE 切片上测量超过 19,000 个 RNA 加 72 个蛋白质。

03中国#

中国是增长最快的空间组学地区——亚太装机容量以约 47% 的年速率扩张——以本土 Stereo-seq 平台与快速增长的专利库为支柱，中国申请人在空间转录组学专利中的占比从 2020 年的 12% 升至 2026 年的 31%。

BGI/STOmics Stereo-seq、DNA 纳米球芯片、MOST 图谱计划#

• BGI STOmics 与 Stereo-seq： BGI 旗下 STOmics 部门开发了 Stereo-seq——一种建于 DNA 纳米球（DNB）阵列之上的测序型平台，其元件尺寸达到纳米级，在亚细胞分辨率下提供独特的大视场；这是中国领先的本土空间转录组学技术，也是全器官与胚胎发生图谱的基础。
• 分销与服务网络： Stereo-seq 与进口的 Visium HD / Akoya 平台在中国 CRO 市场分销并作为服务运行，2025 年公开招标的 Stereo-seq 服务单项目约 78,000 元，表明其已常规商业可得。
• MOST 与国家计划： 科技部资助时空组学图谱计划，支撑国内药物发现与推动国内专利崛起，使到 2026 年全球空间组学知识产权的三分之一归属于中国申请人。

04欧盟#

欧盟是重要的学术贡献者，也是一家商业空间平台的所在地，但没有总部位于欧洲的厂商能与四大美国仪器巨头抗衡；其分量在于方法学开发、人类细胞图谱以及监管级数据质量。

Resolve Biosciences、学术枢纽、EMA 监督#

• Resolve Biosciences： 这家德国公司（位于莱茵河畔蒙海姆）商业化 Molecular Cartography 平台——一种基于锁式探针原位测序的靶向空间转录组学系统，被《Nature Methods》（2025）与 CosMx、Xenium 一并列为商业成像型平台之一。
• 学术枢纽： EMBL、桑格研究所及合作的欧洲基因组学机构推动人类细胞图谱方法开发与开源空间分析工具。
• EMA 监督： EMA 对用于受监管药物发现申报的空间读出数据施加数据完整性与试剂质量要求，与 FDA 对成像与分析软件栈的 21 CFR Part 11 控制相呼应。

05领先企业与研究机构#

06技术栈与创新#

空间组学技术栈将原位化学引擎、高分辨率读出（测序仪或循环成像仪）与深度学习分析层耦合为一个工作流，生物制药可按仪器、试剂套件或完整 CRO 服务项目采购。

1. 原位捕获与探针化学：
   • 测序型平台在芯片上图案化条码元件——Visium HD 点阵低至约 2 µm，Stereo-seq DNA 纳米球元件低至约 500 nm——使每条被捕获的 mRNA 在 NGS 前携带其坐标。
   • 成像型平台杂交寡核苷酸探针面板（MERFISH 纠错条码、CosMx 直接杂交、Xenium 原位测序），随后在连续荧光循环中读取以调用单转录本分子。
2. 高维读出（NGS + 循环荧光成像）：
   • NGS 读出提供无偏的全转录组覆盖（CosMx 约 19,000 基因，Stereo-seq 与 Visium HD 全转录组），而循环成像在亚细胞分辨率与 200 纳米光学尺度下达到 1,000+ 靶向基因。
   • 通量急剧提升——CosMx Same-Cell Multiomics 现可在一张 FFPE 切片上读取超过 19,000 个 RNA 与 72 个蛋白质，Akoya PhenoCycler 在 100 维蛋白下不到 10 分钟成像约 100 万个细胞。
3. 空间生物信息与 AI：
   • 细胞分割、空间结构域检测与邻域分析在 Seurat、Squidpy 及专用深度学习模型（Vision-Transformer 框架）中运行，将 H&E 组织学与转录本坐标融合以重建单细胞表达。
   • 空间特征——肿瘤微环境中细胞亚群的组织与邻近关系——已在超过 8,000 名患者的《JAMA Oncology》荟萃分析中被证明比单独的 PD-L1、TMB 或 GEP 更准确地预测抗 PD-1/PD-L1 疗效。

07价值链与生产流程#

空间转录组学服务项目的工业流程（ISO 9001 / CLIA 兼容数据处理，FDA 21 CFR Part 11）#

┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 1. 组织切片贴附空间       │ ───> │ 2. 原位捕获 /             │
│    芯片                   │      │    探针杂交               │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
                                                  │
                                                  ▼
┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 4. NGS 测序               │ <─── │ 3. 文库构建 /             │
│    或循环成像读出         │      │    成像循环               │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
              │
              ▼
┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 5. 解码与                 │ ───> │ 6. AI 空间分析与          │
│    细胞分割               │      │    特征报告               │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘

阶段 1：组织切片贴附空间芯片

将新鲜冷冻或 FFPE 组织块切片贴附到带条码的空间捕获芯片（Visium、Stereo-seq）或成像芯片（Xenium、MERSCOPE、CosMx）上，保持形态与 RNA 完整性，并捕获匹配的 H&E 或免疫荧光图像用于后续配准。

阶段 2：原位捕获或探针杂交

释放的 mRNA 直接在切片上被条码阵列元件捕获（测序型）或被荧光探针面板杂交（成像型），片上化学通过自动化流体模块运行；在多组学流程中，条码化抗体在同一 pass 中施加以标记蛋白质。

阶段 3：文库构建或成像循环

对测序型平台，捕获的 cDNA 扩增为 NGS 文库；对成像型平台，芯片经历连续荧光循环（数十个循环）以读取每个基因的组合条码，MERFISH 纠错编码防止单轮错误破坏转录本身份。

阶段 4：NGS 测序或循环成像读出

文库在 Illumina 级 NGS 仪器上测序以获得全转录组覆盖，或在平台显微镜（Xenium Analyzer、MERSCOPE Ultra、CosMx SMI）上以约 100–250 纳米像素分辨率成像以定位单个转录本分子——CosMx 全转录组与 Stereo-seq 每切片交付数万个基因。

阶段 5：解码与细胞分割

条码回溯到空间坐标，按基因面板调用转录本，深度学习分割模型将形态图像与转录本信号融合以勾画单细胞边界——2026 年 1 月《Genome Biology》基准测试显示 Xenium Prime 5K 达到每细胞中位 242 条转录本，而 Xenium v1 为 58。

阶段 6：AI 空间分析与特征报告

计算空间可变基因、组织结构域、细胞类型去卷积与细胞邻域相互作用（Seurat、Squidpy、Vision-Transformer 模型），CRO 向客户交付组织结构域图、细胞邻域图与空间生物标志物特征——客户越来越多地将其与免疫治疗应答等临床结局挂钩。