一針鼻噴疫苗防住多種病原體！Science：給細(xì)胞核貼上「空間身份證」，揭開免疫多維圖譜

01

從「單細(xì)胞」到「空間時(shí)代」

技術(shù)演進(jìn)的下一個(gè)十年

過去十年，單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)徹底改變了生命科學(xué)的研究范式。我們第一次能夠以高通量的方式解析組織中「有哪些細(xì)胞」、「它們?cè)诒磉_(dá)什么基因」。然而，一個(gè)根本性的問題始終懸而未決：這些細(xì)胞在組織中的「坐標(biāo)」是什么？它們和誰做鄰居？它們?cè)谠蝗绾瓮ㄓ崳?/strong>

組織不是懸浮液。腫瘤微環(huán)境中，一個(gè) CD8? T 細(xì)胞是否真正接觸腫瘤細(xì)胞，決定了它能否發(fā)揮殺傷功能；疫苗誘導(dǎo)的免疫記憶細(xì)胞是否定位在氣道周圍，決定了它能否在病原入侵的第一時(shí)間響應(yīng)。沒有空間位置信息，單細(xì)胞數(shù)據(jù)就像一份沒有地址的通訊錄——你知道誰在，卻不知道他們?cè)谀摹⒑驼l在一起。

這正是空間組學(xué)技術(shù)迅速崛起的根本驅(qū)動(dòng)力。2022 年，Nature 將「空間多組學(xué)」評(píng)為年度技術(shù)。然而，如何在單細(xì)胞分辨率下，同時(shí)獲取基因表達(dá)、表觀調(diào)控、免疫克隆型等多維信息，始終是領(lǐng)域內(nèi)最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。

2026 年 2 月，斯坦福大學(xué) Bali Pulendran 團(tuán)隊(duì)在 Science 上發(fā)表的一項(xiàng)研究《Mucosal vaccination in mice provides protection fromdiverse respiratory threats》，給出了一個(gè)漂亮的解法。團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種鼻噴廣譜疫苗，在小鼠模型中實(shí)現(xiàn)同時(shí)抵御新冠病毒、流感病毒、金黃色葡萄球菌，甚至過敏原的侵害——而它的保護(hù)機(jī)制，完全顛覆了傳統(tǒng)疫苗依賴「特異性抗體」的邏輯[1]。

02

從「一病一苗」到「整合器官免疫」

傳統(tǒng)疫苗的困境：面對(duì)流感病毒的抗原漂移、新冠病毒的不斷變異，抗體導(dǎo)向的疫苗往往剛上市就面臨「免疫逃逸」的尷尬。Pulendran 團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，轉(zhuǎn)向激活先天免疫——這套免疫系統(tǒng)是億萬年進(jìn)化留下的「第一道防線」，不挑剔病原體，反應(yīng)速度以小時(shí)計(jì)。

解決策略：研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種名為 GLA-3M-052-LS+OVA 的鼻內(nèi)噴霧疫苗。其核心機(jī)制在于「雙重激活」策略。兩個(gè)免疫激動(dòng)劑GLA（TLR4 激動(dòng)劑）和 3M-052-LS （TLR7/8 激動(dòng)劑），搭配一個(gè)通用模型抗原卵清蛋白（OVA）。其保護(hù)作用不是依賴于針對(duì)特定病原體的抗體，而是主要通過肺泡巨噬細(xì)胞（AM）

工作原理：疫苗中的 TLR 激動(dòng)劑，能直接刺激肺部先天免疫細(xì)胞；而 OVA 抗原將 T 細(xì)胞招募到肺部，這些抗原特異性 CD4? 和 CD8? 記憶 T 細(xì)胞持續(xù)向先天免疫細(xì)胞發(fā)送信號(hào)，讓本應(yīng)僅活化幾天的先天免疫維持?jǐn)?shù)月激活狀態(tài)。

關(guān)鍵免疫機(jī)制 1：T 細(xì)胞-RANKL 通路介導(dǎo)保護(hù)效應(yīng)

研究發(fā)現(xiàn)，清除 CD4? 和 CD8?T 細(xì)胞可完全消除疫苗的保護(hù)作用。進(jìn)一步機(jī)制解析顯示，T 細(xì)胞分泌的 RANKL 是疫苗誘導(dǎo)保護(hù)所必需的關(guān)鍵分子——持續(xù)阻斷 RANKL 會(huì)完全消除疫苗對(duì) SARS-CoV-2 和金黃色葡萄球菌感染的保護(hù)效果；而抑制 CD40L、IFN-γ 或 TNF-α 信號(hào)通路則不影響保護(hù)。

關(guān)鍵免疫機(jī)制 2：肺泡巨噬細(xì)胞（AM）是核心效應(yīng)細(xì)胞

通過 scRNA-seq 對(duì) 119,876 個(gè)肺細(xì)胞分析發(fā)現(xiàn)，疫苗接種后 21 天，肺泡巨噬細(xì)胞中抗原呈遞通路持續(xù)富集，相關(guān)基因（H2-D1、H2-K1、H2-Aa 等）表達(dá)水平至少維持 3 個(gè)月。scATAC-seq 進(jìn)一步揭示，與抗原呈遞基因 H2-Aa、干擾素刺激基因 Ccl5 等相關(guān)的染色質(zhì)位點(diǎn)，在疫苗接種后至少 3 個(gè)月內(nèi)在 AM 中保持可及性。

關(guān)鍵免疫機(jī)制 3：誘導(dǎo)三級(jí)淋巴結(jié)構(gòu)（TLS）形成

感染后 3 天，疫苗組的肺組織出現(xiàn)類似淋巴結(jié)的 T/B 細(xì)胞分區(qū)，即三級(jí)淋巴結(jié)構(gòu)。未接種疫苗的對(duì)照組在感染后第 3 天未顯示這些 TLS 特征。

03

空間組學(xué)

揭開疫苗誘導(dǎo)免疫圖譜的關(guān)鍵鑰匙

在這項(xiàng)研究中，一個(gè)核心問題始終貫穿始終：疫苗如何在三維肺組織中構(gòu)建持久、廣譜的免疫防御？

傳統(tǒng)單細(xì)胞測(cè)序能解析細(xì)胞類型和分子特征，卻無法確認(rèn)細(xì)胞在組織中的空間位置信息。而研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，疫苗誘導(dǎo)的保護(hù)效應(yīng)與細(xì)胞的空間排布密切相關(guān)——T 細(xì)胞是否定位在氣道周圍、肺泡巨噬細(xì)胞是否與上皮細(xì)胞形成通訊網(wǎng)絡(luò)、三級(jí)淋巴結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)在關(guān)鍵哨位，這些問題的答案都依賴于空間維度的信息。

這正是具有單細(xì)胞分辨率的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)——Trekker，大顯身手的舞臺(tái)。（點(diǎn)此或文末獲取更多 Trekker 信息及技術(shù)支持）

研究團(tuán)隊(duì)對(duì) 53,645 個(gè)空間解析的細(xì)胞核使用 Trekker 試劑盒進(jìn)行了單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組分析，通過 UMAP 揭示了多樣的細(xì)胞群，包括肺泡上皮細(xì)胞、AM、間質(zhì)巨噬細(xì)胞（IM）、DC、T 細(xì)胞和 B 淋巴細(xì)胞。Trekker 技術(shù)的加入，讓研究在空間原位完成了對(duì)肺組織免疫生態(tài)系統(tǒng)的多維度解析：

數(shù)據(jù)解析 1：空間聚類與細(xì)胞圖譜

通過 Trekker 獲得的空間聚類圖（對(duì)應(yīng)文獻(xiàn) Fig. 3C）清晰展示了疫苗接種組、未接種組以及 T 細(xì)胞耗竭組在組織結(jié)構(gòu)和細(xì)胞組成上的顯著差異。接種疫苗的小鼠肺中表現(xiàn)出顯著的空間重構(gòu)（對(duì)應(yīng)文獻(xiàn) Fig. 3D）。

數(shù)據(jù)解析 2：細(xì)胞間通訊網(wǎng)絡(luò)可視化

整合空間定位和配體-受體表達(dá)值分析顯示，疫苗接種后肺部的細(xì)胞間相互作用整體增強(qiáng)（對(duì)應(yīng)文獻(xiàn) Fig. 3F）。T 細(xì)胞-B 細(xì)胞和 T 細(xì)胞-先天免疫細(xì)胞間的通訊增強(qiáng)，以及 AM 與肺泡上皮細(xì)胞（ATI 和 ATII）之間的信號(hào)傳導(dǎo)加強(qiáng)，而在 T 細(xì)胞耗竭小鼠中這些信號(hào)均被削弱。

文獻(xiàn) Fig.3

數(shù)據(jù)解析 3：三級(jí)淋巴結(jié)構(gòu)的空間定位

多重空間蛋白成像顯示，TLS 富集區(qū)主要定位于氣道周圍（對(duì)應(yīng)文獻(xiàn) Fig. 5D-E），提示疫苗接種使肺組織在感染時(shí)能夠快速且有結(jié)構(gòu)地參與免疫應(yīng)答。免疫組化進(jìn)一步顯示 TLS 與 SARS-CoV-2 N 蛋白共定位。

文獻(xiàn) Fig.5

04

Trekker 技術(shù)流程

一張芯片、兩步操作、三套數(shù)據(jù)

Trekker 技術(shù)的突破性在于將空間定位與單細(xì)胞多組學(xué)完美整合，其工作流程分為三個(gè)核心步驟：

第一步：貼標(biāo)簽——每個(gè)細(xì)胞核拿到自己的「坐標(biāo)身份證」

Trekker 的核心耗材是一張?zhí)刂频男酒╰ile），上面鋪滿了數(shù)百萬個(gè)位置唯一的 DNA 條形碼。每個(gè)條形碼對(duì)應(yīng)芯片上的一個(gè)精確坐標(biāo)（比如第 3 行第 5 列）。

操作很簡(jiǎn)單：將新鮮冷凍組織切片（厚度 10～25 μm）貼在芯片上，然后紫外光照射。光觸發(fā)后，每個(gè)細(xì)胞核會(huì)「抓取」到它所在位置的那個(gè)條形碼——相當(dāng)于每個(gè)細(xì)胞核都被打上了它自己的空間坐標(biāo)標(biāo)簽。

第二步：建庫——直接上常規(guī)單細(xì)胞平臺(tái)

貼好標(biāo)簽的細(xì)胞核從芯片上收集下來，這時(shí)候它們已經(jīng)帶著「空間坐標(biāo)」了。接下來，直接用標(biāo)準(zhǔn)的單細(xì)胞測(cè)序建庫流程進(jìn)行后續(xù)操作——逆轉(zhuǎn)錄、cDNA 擴(kuò)增、文庫構(gòu)建，和做普通單細(xì)胞測(cè)序一模一樣。

唯一的區(qū)別是：每個(gè)細(xì)胞核的 cDNA 上，已經(jīng)同時(shí)攜帶了基因表達(dá)信息和空間坐標(biāo)條形碼，這從根本上確保了數(shù)據(jù)的單細(xì)胞分辨率。

第三步：解碼——測(cè)序后「按圖索驥」

測(cè)序完成后，通過生物信息學(xué)分析，根據(jù)每個(gè) read 上的空間條形碼，就能反推出它原本來自組織切片上的哪個(gè)位置。于是，研究者得到的是一個(gè)帶坐標(biāo)的基因表達(dá)矩陣——知道每個(gè)細(xì)胞核在組織中的 XY 坐標(biāo)，也知道它的全轉(zhuǎn)錄組表達(dá)譜。

正如研究團(tuán)隊(duì)在論文中展示的，通過 Trekker 獲得的整合數(shù)據(jù)集，他們不僅驗(yàn)證了肺泡巨噬細(xì)胞的表觀遺傳重塑，還定量解析了 T 細(xì)胞-AM 互作的空間強(qiáng)度，更直觀展示了三級(jí)淋巴結(jié)構(gòu)的形成位置。所有這些發(fā)現(xiàn)都基于同一份樣本、同一套空間坐標(biāo)系統(tǒng)。

05

從「看細(xì)胞」到「看生態(tài)」

Trekker 如何最大化樣本價(jià)值

以下是一個(gè)在腫瘤免疫中的典型案例：

案例：snRNA-Seq+ snV(D)J，追蹤 B 細(xì)胞克隆的「空間足跡」

免疫細(xì)胞克隆的擴(kuò)增與分布，是理解腫瘤免疫應(yīng)答的核心問題。研究團(tuán)隊(duì)對(duì) 25 μm 厚的人原發(fā)性乳腺癌組織切片，完成對(duì)其中 10,671 個(gè)細(xì)胞核的空間定位與細(xì)胞注釋。并分別將其映射至 UMAP 圖譜（圖 A）和空間圖譜（圖 B）。

關(guān)鍵突破：

數(shù)據(jù)顯示，該技術(shù)的檢測(cè)效率優(yōu)異（圖 C）：BCR 平均每個(gè)細(xì)胞核有效讀數(shù)達(dá) 372.4，TCR 達(dá) 332.5；39.6% 的 B 細(xì)胞能檢測(cè)到重鏈 CDR3，52.4% 的 B 細(xì)胞能檢測(cè)到輕鏈 CDR3，T 細(xì)胞中也有 7.6% 和 14.2% 分別檢測(cè)到重鏈、輕鏈 CDR3。

清晰繪制出了不同 B 細(xì)胞克隆的空間分布圖譜（圖 E）。Top8 的 BCR 重鏈 CDR3 克隆在乳腺癌組織中呈現(xiàn)出顯著的空間特異性 ，部分克隆集中分布在腫瘤邊緣區(qū)域，部分則在腫瘤內(nèi)部形成聚集區(qū)（圖 F）。而相鄰組織切片的 H & E 染色（圖 D）進(jìn)一步驗(yàn)證了這些克隆分布與病理結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性。

這一結(jié)果首次直觀揭示了乳腺癌微環(huán)境中 B 細(xì)胞克隆的空間擴(kuò)散規(guī)律：免疫克隆的擴(kuò)增并非隨機(jī)分布，而是與腫瘤組織的病理分區(qū)、細(xì)胞鄰域密切相關(guān)，為理解腫瘤相關(guān)性 B 細(xì)胞的功能分工（如抗體分泌、抗原呈遞）提供了關(guān)鍵的空間線索。

Science 這項(xiàng)研究標(biāo)志著呼吸道疫苗開發(fā)進(jìn)入「整合器官免疫」新時(shí)代，而Trekker 技術(shù)在其中扮演了「地圖繪制者」的關(guān)鍵角色。如果您正在探索腫瘤免疫、疫苗機(jī)制或發(fā)育生物學(xué)等中的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)問題，希望從有限珍貴樣本中獲得更全局、更深刻的洞察，Trekker 單細(xì)胞空間組學(xué)解決方案或許能成為您下一個(gè)突破性發(fā)現(xiàn)的加速器。

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內(nèi)容策劃：王丹琦

內(nèi)容審核：朱卿

題圖來源：圖蟲創(chuàng)意

參考文獻(xiàn)

[1]. Zhang H, Floyd K, Fang Z, et al. Mucosal vaccination in mice provides protection from diverse respiratory threats[J]. Science, 2026: eaea1260.