《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：Towards Digital Biology: Recent Advances in Spatial Biology for Organogenesis and Regeneration
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王汉东|王文佳|储柳西|叶开强|何利勇|张文毅|沈嘉豪|齐佩东|黄燕|赵向伟中国东南大学生物科学与医学工程学院数字医学工程国家重点实验室，南京，210096摘要数字生物学将活体组织视为可计算的系统，需要高精度的空间数据来进行准确建模。然而，单细胞组学本身缺乏物理坐标，这阻碍了阐明
王汉东|王文佳|储柳西|叶开强|何利勇|张文毅|沈嘉豪|齐佩东|黄燕|赵向伟
中国东南大学生物科学与医学工程学院数字医学工程国家重点实验室，南京，210096
摘要
数字生物学将活体组织视为可计算的系统，需要高精度的空间数据来进行准确建模。然而，单细胞组学本身缺乏物理坐标，这阻碍了阐明组织形态发生和修复所需的位置信息。本文调研了包括测序、成像、质谱成像（MSI）和显微解剖技术在内的空间生物学平台，这些技术作为强大的物理到数字的转换器。我们评估了实现高通量和多组学空间分析的方法学进展。此外，我们还讨论了这些技术如何绘制心脏、肝脏和大脑中器官发生和再生生态位的空间时间坐标。这种映射表明，成功的组织修复需要重建功能性的形态发生梯度，即在特定背景下重新执行胚胎的空间程序。我们还讨论了目前的技术瓶颈，并突出了新兴的研究方向。最终，空间生物学提供了在计算机上模拟形态发生轨迹的基础数据，从而推动了基于数字生物学的再生医学和精准治疗的发展。
引言
数字生物学是一个迅速发展的跨学科范式，它将生物实体视为高度复杂的可计算信息系统。该领域的一个核心目标是在数字空间中对生命进行多分辨率表示，以构建数字孪生体，即能够计算模拟动态生物系统的高保真虚拟复制品。从数字生物学的角度来看，器官发生是在三维（3D）空间中执行一个复杂的基因组程序的过程，其中功能性器官是由受精卵通过精确协调的细胞计算、谱系指定和空间模式化产生的。这一复杂过程包括胚层分化、轴建立、形态发生和细胞命运决定等关键事件。重要的是，这些过程背后的分子机制在进化上高度保守。同样，器官再生使生物体能够修复受损组织，本质上是通过重新计算和重启这些空间程序来恢复其结构和功能完整性。这一过程涉及干细胞的激活、细胞去分化或转分化，以及微环境信号的精确时空协调。作为生物体内主要的构建和修复方式，器官发生和再生在几个关键方面共享基本的机制，包括时空基因调控、细胞间通信网络的动态重建以及表观遗传记忆和重编程的机制。
在胚胎发育过程中，单个细胞受精卵通过胚层分化、轴向模式化和形态发生逐渐构建出复杂的3D器官系统。这一过程依赖于细胞命运决定的精确时空调控和微环境信号的空间编码。相比之下，再生是在受伤组织内重新激活发育基因网络以在特定解剖位置重建功能性结构。例如，在心脏再生过程中，会出现胚胎期的房室基因表达梯度；而在肝脏修复中，则会重新激活类似胚胎的代谢分区模式。这些现象共同表明，再生是在特定背景下对胚胎程序的重现。这种时空程序的保守性突显了空间调控的关键重要性。失调可能导致先天畸形（如神经管闭合过程中的背腹信号中断），或再生失败（如心肌梗死后心肌组织被纤维疤痕替代）。因此，整合器官发生和再生研究以破译支配这些过程的分子空间代码，已成为在发育生物学和再生医学中构建可计算数字孪生体的关键前提。
尽管传统的转录组分析（如批量RNA-seq）可以在组织水平上捕获基因表达谱型，但它们无法解决细胞异质性问题。这一限制在发育和再生研究中尤为明显。早期胚胎阶段或损伤修复前线的罕见细胞群体（如干细胞和前体细胞）由于比例较低而常常被稀释。此外，相邻细胞之间（如关键命运决定因子）的微妙表达差异也无法被区分。单细胞组学技术的出现使得能够在细胞分辨率上绘制转录图谱，显著推进了谱系追踪、命运决定机制和细胞亚群识别方面的研究。然而，必要的组织分离会导致空间 context 的不可逆丢失。这种丢失使得无法解决微环境相互作用、形态发生梯度或准确数字建模所需的区域特异性信号中心。空间生物学技术的突破性进展解决了这一限制，成为数字生物学的关键高保真读取引擎。通过原位捕获基因表达并将其与空间坐标耦合，这些技术充当了强大的物理到数字的转换器。它们能够重建组织内的多维数字矩阵，揭示发育和再生过程中的基因表达拓扑模式（例如，身体轴的形成和器官原基边界）。进一步整合单细胞数据和空间数据可以解析细胞状态转换的动态轨迹、细胞生态位相互作用网络以及时间和空间维度上的跨尺度调控机制。最近，空间多组学扩展到了包括蛋白质复合物组装、代谢活性和表观遗传修饰，为发育和再生过程中分子网络的动态协调提供了新的见解。
近年来，许多综述总结了空间生物学在神经科学、衰老和其他领域的应用，而其在器官发育和再生中的应用相对较少受到关注。本文强调了空间生物学技术作为器官发生和再生领域数字生物学基础数据采集工具的变革性影响。它首先系统地阐明了新型空间生物学技术的原理、过程和算法创新，然后重点介绍了使用这些技术研究关键器官发育和再生的突破性发现。最后，讨论了当前的技术瓶颈并探讨了未来的发展方向。通过整合不同器官和物种的研究模型，本文旨在推进空间多组学在再生医学和精准治疗方面的转化应用，为数字生物学驱动的器官修复策略提供新的计算和生物学视角。
章节摘录
空间生物学技术：组织数字化平台
空间生物学描述了组织内分子的空间分布、定位和相互作用。根据感兴趣的分子种类，这些技术能够在定义的坐标上研究转录组、基因组、表观基因组、蛋白质组和代谢组。方法学上，该领域主要基于四种模式：基于测序的（sSBT）、基于成像的（iSBT）、基于质谱成像的（mSBT）和基于显微解剖的（dSBT）。
器官发生和再生中的空间生物学
细胞通过解读特定位置坐标来决定其分化命运。同样，成功的再生依赖于剩余细胞重新计算这些位置信息并重现胚胎时期的分子梯度，以确保精确的结构重建。因此，器官发生和再生从根本上都是由空间秩序的建立和恢复驱动的。
结论与展望
本文回顾了空间生物学的最新进展及其在器官发生和再生中的应用。通过利用尖端的空间组学技术，该领域获得了关于空间分辨的基因表达、细胞相互作用和微环境动态的前所未有的见解。这些因素对于心脏、大脑和肝脏等关键器官的形成和修复至关重要。当前该领域的特点是面临诸多挑战。
CRediT作者贡献声明
黄燕：监督和资金获取。齐佩东：软件开发和概念构思。沈嘉豪：研究工作和概念构思。张文毅：研究工作和概念构思。何利勇：研究工作和概念构思。叶开强：研究工作和概念构思。储柳西：概念构思。王文佳：写作——审稿与编辑、方法学研究和概念构思。王汉东：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、研究工作。赵向伟：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（82361138570、81827901）和东南大学博士生创新能力提升计划（CXJH_SEU24139）提供的财政支持。
