《时空零距离》第3期。

怀孕过程包括配子产生、卵子受精形成受精卵、胚胎着床、子宫内膜蜕膜化、胎儿和胎盘发育以及最后的生产。胚胎着床是胎儿与母体的首次接触，着床后的子宫内膜细胞发生形态和功能的改变，即子宫内膜蜕膜化过程，最后形成蜕膜组织。该组织由多种免疫细胞、内皮细胞、基质细胞等组成，为早期胎儿生长的物质交换、能量传递提供场所，对成功妊娠极其重要。

近几年，多篇研究利用单细胞及空间多组学聚焦于人体母胎界面的深入探究，包括蜕膜组织和胎盘组织的研究，详细刻画了人类妊娠6-20周龄子宫微环境的建立，包括母胎界面的细胞组成，细胞间相互作用和各种生物学过程。该阶段为胎盘开始发育并逐渐产生功能，并非是母体和胎儿的真正意义上的第一次接触。由于伦理和技术难题，小鼠成为研究胚胎着床初期子宫微环境建立的最佳选择。然而，过去由于技术限制，还未能对小鼠着床位点的子宫内膜组织进行全面解析。如今，时空组学技术的发展则为探索这一难题提供了新契机。

9月11日，北京大学、北大-清华生命科学联合中心杜鹏课题组在Cell在线发表了题为“Spatiotemporal insight into early pregnancy governed by immune-featured stromal cells”的研究论文。研究人员使用单细胞转录组和华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq，首次刻画出小鼠妊娠早期着床位点的时空图谱，解析了胚胎着床后子宫微环境的建立和稳态调节过程，包括功能中心的特化，以及各功能中心所发生的复杂生物学事件。在此，我们特邀文章的通讯作者杜鹏研究员，为大家分享研究背后的故事。

北京大学生命科学学院研究员、北大-清华生命科学联合中心PI

华大时空组学：杜老师好，首先恭喜您及团队成功绘制首个小鼠妊娠早期着床位点时空图谱，并在顶刊Cell发表，您能简单分享下这项研究开展的背景和目标吗？

杜鹏研究员：非常感谢。实验室主要从事RNA调控转录在干细胞和肿瘤生物学问题中的研究，包括胚胎干细胞的分化命运决定和早期胚胎发育中的功能。这项工作是我回国之初就在实验室开展的工作之一，当时也是受我2018年的工作：microRNA介导的一个胚胎干细胞Naïve向Prime状态转变的中间态的启发。Naïve表征胚胎着床前状态，而Prime代表胚胎着床后的状态，在这个状态转变过程中的一个重要事件就是着床。那么在这个着床过程中到底发生了什么？哪些因素会影响这个着床过程？因此在成立实验室之后，我们就开展了全能性干细胞重编程、Naïve-Prime中间态等研究。在这个过程中，我们也同时注意到子宫微环境对胚胎着床非常重要，但是这个领域目前做的还比较少，因此也同时开展了此项工作，希望能帮助我们对胚胎着床这个“黑匣子”有更好的理解。

华大时空组学：这项研究最大的难点在哪些地方？是如何突破的？

杜鹏研究员：这个工作开展之初，我们面临的第一个难题就是取样，小鼠胚胎在大概E4.5-E5.5着床，我们当时希望能尽可能准确捕捉到胚胎着床的瞬时状态，但是刚着床的胚胎非常小，很难辨认。

第二个难题就是消化，子宫内膜细胞蜕膜化之后，细胞状态很差，因此细胞活率很低，所以导致最开始的消化过程我们也进行了多次摸索，也非常感谢北京大学生命科学学院流式平台的帮助。

第三个难点就是蜕膜细胞的亚群定义，在这项工作之前，还未有文章对子宫蜕膜组织的细胞进行详细的亚群定义，因此从哪个角度去对蜕膜细胞进行定义也是我们在思考的问题，最后通过查阅各种文献，我们认为可以从蜕膜细胞的功能作为切入点进行亚群分析，结合拟时间分析，对蜕膜过程对胚胎着床及发育有更好的认识。

第四个难点是蜕膜组织细胞类型的空间定位，我们希望实现在同一个组织切片上同时展示出所有的蜕膜细胞亚型分布，当然最后通过Stereo-seq非常完美地解决了这个问题。

第五个难点就是iDSC这个细胞类型的确定，我们最后也是结合测序数据和多种实验手段包括IF、asmFISH和ISS等多个技术来证明这个细胞类型的存在和空间分布。

华大时空组学：这项研究首次建立了胚胎着床后的子宫微环境时空图谱，也是首次使用空间转录组技术发现细胞异常的空间定位与疾病发生发展之间的关系，对未来的研究有哪些影响？带来了哪些启发？

杜鹏研究员：目前我们将单细胞的技术有效地利用到了胚胎发育、疾病和肿瘤的发生发展过程中，通过健康和异常样本的比较，能得到异常细胞的转录水平差异，未来我们加上空间组学相当于从三维的角度看待这些生命过程。这个工作最后我们也发现细胞的空间异常定位也可能是潜在的致病机制之一，这为未来的疾病干预提供了一个新的策略。

华大时空组学：子宫微环境时空图谱的绘制对未来的疾病研究和精准医疗有什么意义？

杜鹏研究员：妊娠早期子宫微环境的精准建立和稳态维持是健康妊娠的核心因素之一。同时人类子宫内膜蜕膜过程于子痫、早产流产等密切相关。因此在这个项目中我们发现的具有免疫特性的蜕膜基质细胞亚型（iDSC）在复发性流产的小鼠模型中表现出更强的功能失调表型，同时在人的复发性流产和正常子宫内膜样本的差异比较中也发现了类似的功能失调特性。那么未来是否可以通过干预iDSC这个细胞类型来改善治疗胚胎着床失败、反复性流产等疾病值得进一步的研究。

华大时空组学：我们了解到，研究中利用Stereo-seq对小鼠妊娠早期E6.5-E9.5着床位点进行了空间转录组测序及分析，并进行了相关的空间定位，您能分享下Stereo-seq在这项发现中具体起到了哪些作用吗？

杜鹏研究员：课题在定义完蜕膜组织细胞亚群之后，我们就急切想知道这些细胞在蜕膜组织中的空间定位。我们最初尝试用不同类群的高表达基因的免疫荧光染色来进行定位，但是由于抗体、组织和技术等问题，不能实现在同一个组织切片上同时进行七个或者以上的蛋白染色。而华大时空组学技术Stereo-seq很好地解决了这个问题，非常完美地对子宫内膜组织的蜕膜细胞亚群进行了精准定位，同时结合妊娠时间，展现出子宫内膜空间结构（功能中心）的动态特化过程。

华大时空组学：相较于同类技术，Stereo-seq在分辨率和视场上都有明显的优势，这些优势在咱们的研究中具体发挥了什么作用？

杜鹏研究员：与同类型的技术相比，Stereo-seq是亚细胞结构的，对一些小的细胞有比较好的定位效果，例如我们课题中的免疫细胞，我们在分析的过程中采取过bin 50的分辨率和bin 20，bin 50在正常样本中就很难定位出T细胞、B细胞和中性粒细胞等，并且巨噬细胞等数量也比较少，也就导致我们看到的免疫生成中心结构并不明显。但是在bin 20分辨率下，我们就发现在E8.5之后就在蜕膜组织的系膜侧形成了一个极明显的环状结构。

另外从我们文章的测序数据显示，在bin 50的分辨率下，单位基因的数量和丰度都与我们所使用的单细胞转录组测序数据相当。并且最初，我们文章也仅基于Stereo-seq的数据进行过分类和空间细胞类型注释，最终呈现出来的细胞空间分布，与我们现在文章结合单细胞转录组和Stereo-seq技术进行空间细胞注释后呈现的结构非常一致。综合来说，Stereo-seq在我们的课题组织上work得非常好，捕获的基因数量也比较高。

华大时空组学：时空组学技术的应用会伴随着海量数据的产生，在这项研究中，您和团队在整合数据分析、呈现准确空间信息方面有什么经验可以分享吗？

杜鹏研究员：华大时空组学技术Stereo-seq是亚细胞分辨率水平，因此我们需要结合生物学背景知识来确定bin的取值。因此在数据分析和准确的空间呈现方面，我认为不管任何时候都需要结合生物学问题，只有结合好计算和生物意义两个方面才更有助于我们使用新的技术来解决问题。

华大时空组学：您是时空组学技术Stereo-seq较早的外部用户，当时是基于怎样的考虑选择使用这个技术？

杜鹏研究员：大概是2020年底，在课题进行过程中，蜕膜基质细胞亚群空间定位是我们的一大难题。当时空间组学技术逐渐出现在各领域视野中，其他平台的技术分辨率不够，比如50 μm就远远大于一个细胞直径，因此我们决定再等等是否有单细胞分辨率的空间组学技术。也是非常幸运，在几个月之后，我们就有幸能很早的使用上亚细胞分辨率的时空组学技术Stereo-seq。这项工作的顺利进行，非常感谢华大时空组学技术，尤其是李春华、刘涛、庄雯和石小玉等的帮助和支持。

华大时空组学：近年来，空间组学技术迅猛发展，已经助力疾病研究、脑科学等领域取得了众多突破性进展，您对该类技术在胚胎发育、疾病研究等领域的研究有哪些展望？

杜鹏研究员：空间组学技术发展迅猛，最近两年空间转录组、表观组等都蓬勃发展，可以给予我们更多的三维信息。在胚胎发育上，我们可以在更高分辨率下观测发育过程基因表达模式、细胞在空间上的分布特点和呈现出来的结构特征，开展干细胞空间微环境（Nich）研究以及临近细胞通讯的研究。在疾病和肿瘤方面，帮助理解肿瘤微环境、肿瘤异质性，揭示肿瘤内基因表达、免疫细胞浸润等问题。在神经领域空间组学有助于理解大脑内基因表达的区域性。总之，空间组学技术是一个强大的工具，可以增强我们对已知和未知遗传信息在组织三维空间内对正常发育和疾病过程的影响。

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《时空零距离》是华大时空推出的聚焦时空组学技术的栏目 ，将不定期邀请生命科学领域的学术大咖、科研作者、技术达人进行访谈分享，内容涵盖认知科普、前沿成果、技术进展分析等，为科研工作者创新研究提供多维视角。敬请关注。

华大时空组学技术Stereo-seq是一项基于DNA纳米球测序芯片自主研发、可实现超高通量和超高精度的全景式时空转录组技术，它将认识生命空间的分辨率提升至500 nm的亚细胞层级，相比国际同类技术分辨率提升了40,000倍。

凭借能同时实现“纳米级分辨率”和“厘米级全景视场”的技术优势，Stereo-seq已被成功应用到动物胚胎发育、植物发育、脑科学、肿瘤等多个领域，并帮助研究人员在Cell、Science、 Nature等顶级学术期刊上发表了30余篇文章。

目前华大时空组学已与安诺优达、欧易生物、诺禾致源、联川生物、基迪奥生物等国内多家头部生物科技公司达成生态合作，助力广大科研工作者在生长发育、生命演化、器官结构、疾病机制等研究领域取得创新突破，推动生命科学行业加速发展。