空间RNA医学：精准治疗的新前沿 - 创新药物

空间RNA医学将空间转录组学与基于RNA的治疗相结合，在完整组织内映射基因表达。它通过将分子模式与微环境联系起来，推进精准治疗，为靶向药物设计和临床转化提供支持。

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引言

空间核糖核酸(RNA)转录组学在保持完整组织中每个分子坐标的同时测量基因表达，将转录本与组织学和局部微环境联系起来。位置至关重要，因为位置依赖性信号传导和细胞间接触塑造了细胞分化、功能和疾病进程。批量RNA测序(RNA-seq)平均了大量细胞，掩盖了组织异质性，而单细胞RNA测序(scRNA-seq)虽能分析单个细胞，但需要组织解离，这会抹去空间背景信息。

空间转录组学利用基于载玻片的条形码捕获结合下一代测序(NGS)或原位杂交(ISH)和原位测序(ISS)等成像方法，将转录本映射回原始位置，从而实现区域特异性基因表达程序分析和生态位级生物标志物识别。

本文阐述了空间分辨转录组学如何将基因表达映射至组织背景，为靶向治疗提供科学依据。重点介绍了关键技术平台、肿瘤-免疫相互作用的洞见、空间生物标志物以及临床转化的实用路径。

推动该领域的技术

空间转录组学由两个互补的技术家族驱动。基于成像的原位杂交方法，如多重错误稳健荧光原位杂交(MERFISH)和顺序荧光原位杂交(seqFISH/seqFISH+)，通过循环探针杂交和编码读出，可量化每个细胞数千个RNA分子。商业平台包括MERscope(Vizgen)和Spatial Genomics的seqFISH。这些系统通常达到单细胞到亚细胞分辨率，同时保持组织完整性，便于进行平行病理学分析和多重染色。

基于测序的空间条形码方法在载玻片或微珠上标记位置坐标，使捕获的转录本可映射回原始位置。这一策略由10x Genomics的Visium平台普及，其探针升级版(Visium V2/Visium HD)扩大了样本兼容性，不再局限于新鲜冷冻组织。不同平台在基因捕获数量和分辨率上有所差异，Visium的聚腺苷酸A斑点(约55 μm)每个斑点可检测数千个基因，而更高分辨率的格式则以部分检测深度换取更精细的空间网格。

除商业平台外，新兴的3D空间转录组学和多组学整合技术现已能将RNA数据与表观遗传学和蛋白质组学映射相结合，构建全组织分子图谱，捕获信号梯度和2D切片无法触及的稀有细胞状态。更新的成像仪器，如10x Genomics Xenium原位系统和NanoString CosMx空间分子成像仪(SMI)，可在福尔马林固定、石蜡包埋(FFPE)切片上提供靶向高多重检测面板，相关研究证实了其强大的敏感性和广泛应用潜力。

关键的是，这些RNA图谱能与蛋白质表型工作流程无缝整合，通过将空间转录组学与RNAscope、多重免疫组织化学(IHC)、循环免疫荧光和成像质谱流式细胞术(IMC)相结合，验证治疗靶点、分析细胞状态，并将发现与常规病理学关联起来。

生物学洞见

肿瘤是由多种生态位组成的镶嵌体，其中癌细胞、基质细胞和免疫细胞形成特定的空间排列模式，影响疾病进展和治疗反应。全载玻片组织学的定量分析显示，肿瘤浸润淋巴细胞不仅密度重要，其空间组织模式同样关键。与癌巢聚集的免疫细胞表明更有效的局部免疫压力，而分离的分布模式则提示免疫逃逸机制。这些生态位级模式通过计算生态学工具进行分析，揭示了空间异质性如何影响患者预后，应为生物标志物设计和患者选择提供依据。

空间生态学分析表明，免疫细胞浸润遵循分形或梯度分布模式，而非均匀聚类，这些空间指标与多种实体瘤患者的生存率和治疗反应密切相关。

资源分布同样不均匀。紊乱的血管系统形成氧气和营养物质的梯度，导致细胞增殖和受体表达出现局部差异。例如，雌激素受体表达变化与血管区域分布一致，突显了微环境对细胞表型和治疗效果的调控作用。间歇性缺氧等时间波动可进一步选择耐药细胞克隆。

综合来看，由组织灌注和细胞间相互作用形成的信号场产生了促血管生成因子和细胞因子（如血管内皮生长因子(VEGF)、Wingless/INT-1(Wnt)和干扰素-γ(IFN-γ)）的空间梯度。绘制这些梯度有助于预测药物渗透区域、靶点激活位置以及可能产生耐药的区域，从而指导药物递送策略、生态位匹配的靶点验证，以及调节血管系统、免疫反应和肿瘤内在通路的联合治疗方案设计。

治疗应用

识别具有治疗潜力的RNA特征可指导信使核糖核酸(mRNA)和小干扰核糖核酸(siRNA)疗法向目标细胞的精准递送。肿瘤和基质微环境上的受体或配体表达谱可为纳米颗粒配体选择提供依据，提高肝外组织的特异性药物摄取。研究表明，正在积极开发层叠在脂质纳米颗粒和其他载体上的组织靶向策略，同时优化RNA化学结构，以增强其在肿瘤环境中的稳定性和细胞内递送效率。

实际应用案例包括在肿瘤中积累并能在体内沉默特定靶点的叶酸修饰脱氧核糖核酸(DNA)四面体载体，以及类似于N-乙酰半乳糖胺用于肝靶向的组织特异性配体开发，旨在扩展精确的肝外靶向能力。这些方法解决了药物递送中的关键障碍：运输效率、生物利用度和内体逃逸问题，为实现持久、肿瘤局部的RNA治疗效果提供支持。

脂质纳米颗粒化学和自扩增RNA(saRNA)构建体的进展进一步提高了瘤内递送效率和蛋白质表达持续时间，为局部免疫调节和新抗原呈递提供了新选择。

在组织内空间映射药物反应同样至关重要，因为异质性微环境和致密的细胞外基质会导致药物在瘤内分布不均，削弱治疗效果。明确RNA载体渗透区域、药物释放位置及免疫反应触发点有助于验证靶点并优化剂量或联合治疗策略。

多项研究将这一需求置于肿瘤异质性和精准肿瘤学目标的背景下，指出异常血管和基质限制了药物分布，因此递送系统、特异性和免疫原性设计必须充分考虑组织微环境特性。空间分析获取的药物摄取和反应数据可指导配体选择、给药途径确定，以及与免疫检查点抑制剂或基质修饰剂的联合使用，将药物难以到达的区域转化为有效治疗的生态位。

治疗应用

脂质纳米颗粒化学和自扩增RNA(saRNA)构建体的进展进一步提高了瘤内递送效率和蛋白质表达持续时间，为局部免疫调节和新抗原呈递提供了新选择。

临床转化

空间转录组学在肿瘤学和纤维化疾病领域的临床转化正逐步成熟。在免疫肿瘤学中，空间生物标志物如程序性细胞死亡蛋白1/程序性死亡配体1(PD-1/PD-L1)表达、微卫星不稳定性下的错配修复状态、肿瘤突变负荷以及炎症或CD8细胞基因特征，正指导患者选择和伴随诊断开发，提高治疗反应预测准确性和临床试验设计水平。空间分析还支持"无缝"精准临床试验和液体活检监测，加速在生物标志物定义人群中的药物审批进程。

在富含纤维化的肿瘤中，癌相关成纤维细胞的空间图谱揭示了成纤维细胞活化蛋白(FAP)阳性簇、转化生长因子-β活性和弹性蛋白微原纤维界面衍生蛋白1(EMILIN1)梯度，这些特征与细胞毒性CD8细胞浸润和患者预后相关，将基质-免疫结构确立为免疫治疗和抗纤维化策略的可操作生物标志物。

新兴证据还将空间转录组学数据与数字病理学和人工智能驱动的预后评分系统联系起来，实现对免疫排斥、纤维化和血管生成的自动量化，作为适应性临床试验设计中的预测终点。

制药行业对空间技术的采纳日益增加，空间分析数据正为靶点发现、响应患者富集和联合疗法设计提供关键信息。罗氏和诺华等大型制药企业，以及Tempus等数据驱动平台，正将空间数据流与基因组特征整合，优先确定作用机制、分层患者队列，并在适应性、生物标志物主导的研究中实施伴随诊断。向生物标志物定义、肿瘤无关治疗开发的转变趋势，以及已获批的伴随诊断产品，进一步凸显了这一整合路径的重要性。

总之，这些进展通过协调免疫背景、纤维化基质和药物设计，将空间生物学洞见转化为临床决策依据，推动从描述性组织图谱向预测性、可直接用于临床试验的生物标志物转变。

结论

空间RNA医学将推动疾病分类从基于器官和组织学的传统标签，转变为基于空间定义的细胞、信号和基质生态系统。将转录本映射至特定组织区域、梯度和界面可产生预测性生物标志物，使医生能够根据患者独特的微环境背景（而非群体平均值）进行精准分层。这些空间分析数据有助于降低靶点开发风险，指导mRNA和siRNA药物向正确细胞的递送，并实时监测组织上的药物作用效果。

在临床实践中，空间图谱将为伴随诊断开发、适应性临床试验患者筛选，以及包括免疫治疗和抗纤维化策略在内的肿瘤无关、生态位特异性治疗提供科学依据。单细胞和空间组学技术的持续整合有望构建细胞状态和药物反应的统一图谱，重塑从基础发现到临床应用的精准医学反馈循环，最终实现真正个性化的医疗方案。

参考文献

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