新鲜出炉（印刷术）印刷术是哪个朝代发明

2016 年，一则叙述用 DNA 晶片原地捕捉 RNA 控制技术的学术论文：内部空间mRNA基因组学（Spatial Transcriptomics）于 Science 杂志刊登，正式拉开了如前所述DNA晶片的内部空间基因组学时代的序幕。

近年来，内部空间基因组学在学术界和产业界均引发了科学研究热潮，同时促进了相关产业的繁荣。例如 10x Genomics、因美纳（Illumina）、科大讯飞（BGI）等国内外知名锻造企业相继下场，试图从原生动物、高解析度、多基因组学等多个层次切入市场并深入布局。然而，受制于现阶段 DNA 晶片锻造的控制技术壁垒，相关科学研究及产业化的生产成本仍然居高不下，有限的内部空间检验解析度同样亟待提高。

11 月 10 日，来自普林斯顿大学的古德兴副教授或其项目组在顶尖科学期刊 Cell 在线刊登了关于 DNA 晶片印刷控制技术与原生动物内部空间基因组学的突破性工作。该科学研究中，项目组首度采用聚丙烯腈胶体锻造出均匀已连续、低密度的 DNA 晶片，并将该晶片命名为 polony 胶体。如前所述新材料锻造的 polony 胶体解析度可高至 1 nm，基本同时实现在组织切片中分割原生动物。因此在单一晶片上能够同时实现至少 50 次重复印刷，显著减少了晶片的锻造生产成本。

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（作者：Cell）

科学研究项目组将 polony 胶体运用于内部空间mRNA基因组学，发明者并搭建了捷伊原生动物内部空间mRNA组控制技术平台——Pixel-seq。在该控制技术高内部空间解析度的支持下，项目组绘制了大鼠重要且相对复杂的脑干区域的原生动物水平内部空间基因表达图谱，并首度揭示了慢性神经性疼痛诱发的脑区内各种类型细胞发生的基因差异表达。

该项科学研究的通讯作者古德兴对此介绍道，“现阶段各种类型原生动物内部空间基因组学控制技术和相应 DNA 晶片的生产成本仍然很高，不利于该控制技术的推广。因此，我们计划在进一步优化 polony 胶体晶片印刷控制技术之后，将其运用于晶片的小规模量产，进而推动其在更多领域中的广为应用。”

▲图丨普林斯顿大学供职生物学现职副教授古德兴（作者：受访者提供）

古德兴及于普林斯顿大学供职生物学现职副教授。他曾相继在中南大学、清华大学和麻省理工获得了学士、硕士和博士学位，2009-2015 年古德兴在哈佛医学院 George Church 生物医学展开访问学者科学研究，发明者了如前所述 polony 原地扩充与定序的超质谱单大分子蛋白SMF检验控制技术。

采用“活字印刷术”同时实现 DNA 晶片已连续锻造

按照实验控制技术策略来分割，近年开始普及化的内部空间mRNA基因组学方式主要可分为两个方向：第一种是如前所述显微成像的原地(in situ)多重检验方式（multiplexed imaging），代表商品化的控制技术是 NanoString 子公司的 CosMx SMI， Vizgen 子公司的 MERSCOPE， 和 10x Genomics 子公司的 Xenium In Situ。第二种是结合如前所述 DNA 晶片内部空间代码与 NGS 定序的内部空间mRNA组方式，代表商品化的控制技术是 10x Genomics 子公司的 Visium。

其中，内部空间代码（spatial barcoding）控制技术操作相对简易，不需要最终用户购买较为昂贵的特定仪器与特定设计的 RNA 电极，能直接对全mRNA组展开分析。所以这类控制技术更容易在一般生物医学广为普及化。该类方式利用 DNA 晶片上的质谱侦测器捕捉组织 RNA，通多用 NGS 分析内部空间代码与基因序列将 RNA 或其内部空间位置关联起来。

目前广为采用的 DNA 晶片由低密度的 DNA 单色构成，单色中的每一条线对应一簇带有特定内部空间代码的 DNA 大分子。这类 DNA 侦测器被有序固定在玻璃或其他固体片表层，生产生产成本十分高昂。近几年报道的解析度到达 10 nm以下的晶片的内部空间代码在晶片表层是随机分布的，所以在锻造过程中需要对每个侦测器中的内部空间代码展开定序，进而限制了其生产电导率与生产成本效益。

在捷伊科学研究中，古德兴或其项目组提供了一种可小规模扩展的 DNA 晶片锻造方案：采用聚丙烯腈胶作为晶片基底，在这种具备弹性的胶体上同时实现两个金属陶瓷之间的 DNA 引物拷贝，同时对拷贝的 DNA 展开分离式扩充，因此，拷贝后的胶体仍然能够保持亚nm级的解析度，在经过已连续 50 次拷贝后并没有出现明显的 DNA 单色点丢失，解析度逐渐减少的情况。

▲图丨polony 胶体的制备和表征（作者：Cell）

这种方式就像是采用 DNA 侦测器作为“印章”展开已连续打印的“活字印刷术”。该科学研究项目组发现，通过 DNA 引物拷贝的方式展开已连续生产并不会对“初始印章”造成严重损耗，除此之外，胶体表层上的 DNA 分离式扩充提高了拷贝效率。经过拷贝的胶体甚至可以在下一轮锻造中充当“印章”。在此之后，只需对一个或几个拷贝胶体展开定序，即可获知一系列打印的内部空间代码的位置地图。

如前所述 polony 胶体打印控制技术，科学研究项目组进一步展示了其自主构建的原生动物内部空间mRNA组控制技术 Pixel-seq，并采用该控制技术绘制了大鼠臂旁核（PBN）组织的原生动物水平内部空间基因表达图谱。

▲图丨针对 PBN 建立原生动物水平内部空间基因表达图谱（作者：Cell）

臂旁核（PBN）是位于脑桥内的神经核团，该区域被广为认为是生物体内负责从脊髓向脑内传送疼痛信息的中继站，因此其向脑内杏仁核传送的信息还将引起疼痛相关的情绪反应。不过，人们对于其异质结构和具体的细胞成分知之甚少。

古德兴表示，通过创建大鼠 PBN 的细胞图谱，科学研究项目组确定了此前已知和新发现的神经元类型的区域特异性分布。因此，通过进一步针对 PBN 神经元和神经胶质细胞展开解剖学和mRNA基因组学比较，项目组首度揭示了慢性神经性疼痛诱发的脑区内各种类型细胞发生的基因差异化表达。

采用胶体锻造晶片，生产成本可减少至 1/35 以下

科学研究表明，人体的组织一般是由众多形状不规则、直径 10 nm到 100 nm不等的细胞连接在一起的三维结构。

因此，想要在内部空间基因组学分析中同时实现可靠的原生动物解析度，首先需要构建比细胞更小的 DNA 晶片单色单元，其直径应接近甚至小于 1 nm。在此之后，在 DNA 晶片捕捉mRNA模板大分子的过程中控制住晶片表层的模板扩散也同样重要。

本次科学研究中，polony 胶体晶片采用独创性的聚丙烯腈胶基底，这为同时实现更高的内部空间解析度打下了良好基础。事实上，polony 胶体同时满足上述两点要求：与市面的定序晶片上非已连续分布的单色不同，polony 胶体晶片单色由已连续且均匀分布、平均直径约为 1 nm的 DNA 簇构成，该结构更适用于观测已连续、完整的生物组织结构。

另一方面，聚丙烯腈胶基底可以把模板的扩散控制在小于 1 nm的范围内。“这是由于聚丙烯腈胶基底是亲水多孔状结构，相对于玻璃或者硅晶片类的硬质基地，多孔结构能够有效抑制模板扩散。”古德兴进一步解释道，与之相比，模板大分子在玻璃或者硬质固体表层扩散通常会高达几nm，严重减少现有晶片的原生动物解析度。

▲图丨如前所述 Pixel-seq 的内部空间mRNA基因组学（作者：Cell）

在 Pixel-seq 平台展开的验证试验中，科学研究项目组证实：如前所述 polony 胶体材料的内部空间基因组学分析，即使没有组织固定也能够产生和细胞形状很好吻合的 cDNA 信号，进而清晰地描绘神经元细胞体的边界。

有趣的是，这种具有优越性能的胶体打印方式仅需要一个简单的机械臂和现成的试剂即可完成。进一步来看，其如前所述胶体表层重复印刷的特性显著减少了晶片的锻造生产成本，因此有助于极大提升产能。与依赖于定序的同样的晶片锻造相比，该方式将生产成本至少减少至现有生产生产成本的 1/35 ，时间缩短至大约 7 小时。”古德兴对此介绍道，“现在，项目组正在进一步提高 polony 胶体的稳定性，为小规模生产做准备。”

来自 George Church 生物医学的控制技术启发

古德兴自 2015 年来到普林斯顿大学后，便致力于在多个生物医学控制技术领域中开展科学研究工作。不仅包括原生动物、亚细胞内部空间基因组学控制技术方向，针对蛋白大分子传感器（protein sensors）的设计也是他的重点科学研究领域。这些科学研究与他在求学期间丰富的科研经历不无关联。

古德兴介绍道，他曾在硕士期间科学研究蛋白质的结构与功能，又在博士期间接触到了海洋天然产物的生物合成科学研究。“当时，我计划未来主要从事合成生物学的科学研究。但是，2009 年在哈佛医学院 George Church 生物医学的博后经历彻底改变了最初的计划。”

在那里，古德兴学习到了 polony 控制技术、蛋白展示控制技术等，因此发明者了超质谱单大分子蛋白SMF检验控制技术，并获得美国控制技术专利。古德兴回忆道，“自那时起，如何将所学到、接触到、发明者的新控制技术有机的结合起来，开发生物医学相关的新控制技术，并将这些控制技术应用于更广为的生物医学领域，成为了始终萦绕在我脑中的问题。而内部空间mRNA基因组学就是这个答案。”

可以说，在博后工作阶段打下的控制技术基础、拓展的兴趣是古德兴后来成功开发 Pixel-seq 的原因和关键所在。在 Pixel-seq 科学研究过程中，如何有效融合多学科的知识与控制技术是项目组面临的主要挑战。

举例来说：筛选 polony 胶体的基底需要对高大分子材料的结构有深入的理解，polony 的扩充则涉及较多大分子生物学与酶学知识，而 polony 定序需要搭建特定需求的定序平台，polony 胶体的打印则需要同时实现对于机械手臂的精准控制等等。

▲图丨古德兴副教授或其项目组，从左至右依次为：董润泽博士，孙立博士，古德兴副教授，付笑男博士（作者：受访者提供）

为此，古德兴组建起了一支跨学科的科学研究项目组。在过去七年间，古德兴生物医学在 polony 定序与 Pixel-seq 方向相继培养了 17 名科学研究员、博后和学生。项目组成员的背景涉及生化、材料、机械电子、计算机、统计学、神经生物学等多个学科。

“在我看来，如前所述 DNA 晶片的内部空间mRNA组控制技术是有可能完全替代现阶段传统的原生动物定序控制技术。不过，完成这一替代过程需要进一步提高 DNA 晶片的捕捉效率和内部空间解析度，和针对紧靠在一起、但来自不同细胞的模板大分子展开更准确的分割。”古德兴认为，在同时实现 DNA 晶片小规模锻造的基础上，该控制技术在众多具有挑战性的科学研究领域中的广为应用将被有力的推动起来。