过去十年，单细胞测序技术极大推动了生物医学研究。通过将组织解离为单细胞悬液，研究人员能够解析细胞异质性、发现稀有细胞类型。但这种方法存在一个根本性缺陷：组织解离过程破坏了细胞的空间位置信息。
细胞在组织中的位置并非随机。肿瘤中心的癌细胞与侵袭前沿的癌细胞处于完全不同的微环境，接受不同的信号输入，表现出不同的转录状态。同样，大脑皮层不同层的神经元表达不同的神经递质受体，执行不同的功能。位置信息本身就是一个关键的生物学维度。
第一代空间技术主要看基因表达（转录组），也就是知道哪些基因在哪个位置开了“绿灯”。但科学家很快发现，只看到“绿灯”不够，还得知道是谁按下的“开关”。这个“开关”就是表观遗传修饰（如组蛋白H3K27ac）。于是，真正的“王炸”技术——空间多组学出现了。它能在同一个小鼠脑组织切片上，同时完成：
2.表观基因组信息：以H3K27ac为代表的组蛋白修饰状态
3.空间坐标信息：每个细胞核在组织中的物理位置
这三层信息最终被整合到一张组织图谱中，实现原位、单细胞分辨率、多组学的联合分析。
技术路线解析：空间条形码、CUT&Tag与单细胞捕获的整合
2026年题为“Spatially Resolved, Integrated Single-Cell Multiomic Profiling of the Transcriptome and Epigenomic Targets in Frozen Tissue Sections”发表于《Journal of Visualized Experiments》（JoVE）整合了多项成熟技术，构建了一套完整的空间多组学工作流程。以下分四个步骤简述其核心原理。
将厚度为25微米的小鼠脑组织冰冻切片，贴附于Trekker空间条形码芯片上。该芯片表面分布有位置特异的寡核苷酸条形码。经紫外线照射后，这些条形码被释放并扩散至覆盖区域的组织内，与细胞核结合。每一个细胞核因此被标记了其原始的二维空间坐标。
与常规的单细胞ATAC-seq检测开放染色质不同，本研究采用CUT&Tag技术，利用特异性抗体（抗H3K27ac）引导Tn5转座酶，在组蛋白H3K27ac修饰富集的基因组区域进行靶向切割和标签化。这一步骤生成的DNA片段，代表了该细胞核内活跃的调控元件分布。
将标记好的细胞核悬液加载至10x Genomics微滴生成系统。每个细胞核被包裹在独立的油滴中，与一个凝胶微珠共封装。每个微珠携带三类功能性序列：
单细胞条形码：用于标记同一微滴内所有分子的来源
Poly(dT)序列：用于捕获mRNA，构建转录组文库
Spacer序列：用于捕获CUT&Tag生成的DNA片段，构建表观组文库
这一设计实现了在同一微滴内，同时捕获来自同一细胞核的转录组和表观组信息。
经过预扩增、样本索引PCR和双轮磁珠纯化，分别构建三个独立文库：CUT&Tag文库、基因表达文库、空间条形码文库。测序后，通过生物信息学流程（Cell Ranger ARC、Trekker pipeline、Signac、Seurat等），将每个细胞核的多组学数据映射回其原始空间坐标，生成空间分辨率的单细胞多组学图谱。
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在上述流程中， 从极少量、极其脆弱的脑组织冰冻切片中获取高质量细胞核 ，是决定整个实验成败的首要技术瓶颈。
需要明确两个不同的样本类型：
样本类型
特征
操作难度
冷冻组织块
体积较大（毫米级），结构完整
相对容易，可承受较剧烈的匀浆
冰冻切片
厚度仅25微米，贴附于芯片表面
极难，组织量少且结构脆弱
脑组织本身的生物学特性进一步增加了难度：
富含髓鞘和脂质，干扰细胞核分离
神经元细胞核形态特殊，脆性较高
冰冻过程不可避免产生冰晶，损伤核膜完整性
在上述空间多组学流程中，组织切片同时还需要 保留空间条形码标记的有效性 ，这限制了可使用的裂解强度和操作时间。 如何在确保细胞核完整性的前提下，从一张薄切片中高效释放足够数量的细胞核，是该方法能否成功的前提条件。
破局者：Invent 柱式法脑组织单个细胞核分离试剂盒
该研究使用 Invent Minute™ 神经元组织/细胞单个细胞核分离试剂盒（BN-020） 完成了这一关键步骤。实验数据显示，从小鼠脑组织冰冻切片中，该方法可 稳定获取50100个高质量细胞核 （标准差±12,200，n=8）。
Figure1.Quality control assessment of isolated nuclei. Representative brightfield images of isolated nuclei from mouse brain tissue. Nuclei were stained with 0.4% Trypan blue and imaged at 40x magnification to assess nuclear integrity and the presence of debris. The nuclei preparation shown on the left displays high-quality, intact nuclei suitable for downstream assays, whereas the preparation shown on the right illustrates poor-quality
nuclei with partially lysed tissue aggregates. Damaged or ruptured nuclei are indicated by filled arrowheads. Scale bar is 100 μm.
图片来源： DOI 10.3791/71046
显微镜质控图像显示，提取的细胞核具备以下特征：
这一产量和质量，直接满足了后续10x Genomics单细胞平台的上样要求（≥30,000个高质量细胞核），为整个多组学工作的顺利完成提供了保障。
Invent BN-020的设计针对神经元组织的特殊性进行了优化。其缓冲液配方能够在 有效裂解细胞膜、去除髓鞘和脂质干扰的同时，维持细胞核膜的完整性和DNA的稳定性 。该试剂盒的柱式法操作流程也在降低机械损伤方面具有一定优势，适合处理微量、易碎的冷冻切片样本。
基于上述流程，该研究取得了以下关键数据：
指标
结果
基因表达中位UMI/细胞
15,378
基因表达中位基因数/细胞
4,378
CUT&Tag有效细胞核数
11,860
CUT&Tag中位片段数/细胞
6,631
TSS富集评分
7.66
空间条形码分配率
92.43%
单空间位置唯一映射率
51.54%
UMAP降维结果显示，依据多组学数据能够清晰区分小鼠脑组织中的主要细胞类型。空间映射结果与Allen脑图谱解剖结构高度一致，验证了空间定位的准确性 。
虽然这项技术让人眼前一亮，但它目前并不完美，离医院的常规病理检测还有距离：
只认“鲜”不认“陈” ：目前技术主要适用于 新鲜或冷冻组织 。临床库里海量的、用福尔马林泡过的石蜡块（FFPE），这套流程还玩不转。
依赖“钞能力” ：流程中涉及Trekker和10x Genomics等 特定的昂贵商业平台 ，一套实验下来成本不菲。
有“导航”无“路况” ：目前它主要看的是基因和表观， 蛋白水平的检测（如细胞表面标志物）尚未整合进该流程，而蛋白是组织功能执行的直接分子。
空间多组学技术正在推动生命科学研究从“离体解析”向“原位整合”转变。本研究报道的Trekker-CUT&Tag联合工作流，实现了在脑组织冰冻切片上 单细胞分辨率、同时获取空间坐标、转录组和H3K27ac表观组信息 的目标。
该流程的成功实施，依赖于多个技术环节的协同优化。其中， Invent BN-020细胞核分离试剂盒 在极微量、极脆弱的脑组织冰冻切片中，稳定获取了符合下游要求的高质量细胞核，证明了其在空间多组学应用场景中的技术可行性。
随着样本兼容性的拓展、检测维度的丰富和数据分析工具的完善，空间多组学技术有望在神经科学、肿瘤免疫、发育生物学等领域发挥越来越重要的作用。
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