荧光显微镜中的有限色彩通道长期以来一直限制着生物样本的空间分析。

2025年2月20日，霍华德·休斯医学研究所Zhe J. Liu团队在Science 在线发表题为“Deep-tissue transcriptomics and subcellular imaging at high spatial resolution”的研究论文，该研究引入了循环杂交链反应（cycleHCR）这一方法，它将多轮 DNA 编码与 HCR 相结合，以克服这一限制。cycleHCR 通过统一的条形码系统实现了对 RNA 和蛋白质的高度多重化成像。

全胚胎转录组学成像实现了在标本深度约 310 微米范围内精确的三维基因表达和细胞命运图谱绘制。当与扩展显微镜结合使用时，cycleHCR 揭示了小鼠胚胎成纤维细胞中 10 种亚细胞结构的复杂网络。在小鼠海马切片中，多重 RNA 和蛋白质成像揭示了复杂的基因表达梯度和细胞类型特异性的核结构变异。cycleHCR 为阐明深组织环境中的空间调控机制提供了定量框架，具有潜在的诊断应用价值。

理解基因表达和细胞亚结构在组织内的空间排列方式对于生物学和疾病研究至关重要。然而，传统的荧光成像受限于颜色通道，这使得无法同时可视化多种分子成分。尽管原位空间转录组学扩大了分子成像的能力，但它难以分辨高丰度的目标物和密集的细胞结构，且在厚样本中存在困难。此外，现有的方法往往需要复杂的处理步骤，或者在较深区域会出现信号丢失的情况。为了克服这些挑战，研究人员开发了循环杂交链反应（cycleHCR），这是一种高度多路复用的 RNA 和蛋白质成像方法，能够在厚组织中实现高分辨率的转录组学和细胞亚结构成像。

研究人员将 cycleHCR 应用于整个发育阶段的小鼠胚胎转录组学研究，对 E6.5-7.0 周龄胚胎中的 254 个谱系特异性基因进行了成像。通过整合自动化成像和计算流程，该研究实现了在约 310 微米的样本深度范围内精确的三维基因表达和细胞命运图谱绘制。单细胞基因表达数据的聚类分析识别出了九个不同的细胞群体，这些群体与已知的发育谱系相对应，具有明确的空间组织。

通过cycleHCR 实现统一的 RNA 和蛋白质成像（图源自Science ）

除了转录组学之外，cycleHCR 还与扩增显微镜相结合，用于可视化小鼠胚胎成纤维细胞中的 10 种不同的亚细胞结构。该研究观察到了复杂的细胞核和细胞质结构，空间分辨率得到了增强。此外，该平台还能够在小鼠海马切片中实现统一的多重 RNA 和蛋白质成像，揭示了复杂的基因表达梯度和细胞类型特异性的核结构变异。

总之，该研究开发了一种基于分段杂交链反应技术的方法，该方法使用配对探针，这些探针必须同时识别其目标才能产生阳性信号。这种方法能够准确检测稀有目标和高丰度目标。它甚至可以在厚组织样本中发挥作用，这类样本难以研究，但有助于在生物环境中观察细胞。使用该方法应用于揭示小鼠海马切片和完整胚胎中的特定结构和基因表达模式。cycleHCR 为阐明深组织环境中的空间调控机制提供了定量框架，具有潜在的诊断应用价值。

参考消息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq2084