从400 μm厚组织到13.5 cm²成像：三维空间组学正在重新定义流动腔

2026-08-07
FluidicLab
流动腔

空间组学正在沿两个方向加速扩展：向 Z 轴进入更厚的组织，向 XY 方向覆盖更大的样本。样本边界改变之后，流动腔也不再只是“装载切片的夹具”，而是同时承担样本固定、反应空间、液体交换和光学成像界面的关键模块。本文选取两项具有代表性的最新研究：一项通过 3DEEP 将空间转录组推进至数百微米厚的组织，并从单个皮肤空间快照中重建毛囊器官发生；另一项以 MERFISH+ 扩大成像面积和实验通量，通过连续切片重建发育期人心脏的三维多组学图谱。两项工作技术路线不同，却共同揭示了下一代空间组学平台对样本承载和流体控制的新需求。

1.从二维薄片进入厚组织

文献解读一：3DEEP-HybISS 如何把空间转录组推进到 100–400 μm

在一块皮肤中，同时捕获不同发育阶段的完整毛囊

传统空间成像通常依赖薄切片，难以连续观察厚组织中的三维细胞关系。3DEEP通过优化组织处理与原位检测流程，支持最高约400 μm厚组织的三维成像。结合HybISS，研究团队在新生小鼠皮肤中检测228个基因，并完成约2.2 × 1.5 mm、深约280 μm组织区域的多轮成像。

图 1｜完整皮肤体积中的转录本信号、毛囊分割与单毛囊三维重建

A：2.2 × 1.5 mm 区域覆盖多个相邻视野，保留皮肤整体结构。从全部扩增信号中分割毛囊，并放大到单个毛囊完成转录本解码。B：沿多个 Z 层追踪同一个毛囊，再将弯曲结构线性化，便于跨毛囊比较。

完整的三维结构既保留了皮肤整体空间关系，也支持对单个毛囊进行三维追踪、线性化和转录本解码。

从三维结构到“3D + 时间”的四维分子地图

研究人员进一步将单个毛囊中的角质形成细胞、成纤维细胞和黑色素细胞映射到具体解剖区室，并观察这些细胞群及结构沿伪时间逐步出现。依据261 个毛囊样本的毛囊长度、细胞组成和分子表达建立伪时间，将毛囊发育解析为轴向建立、干细胞区室分层、毛球形成、内根鞘和毛干生长、毛囊腔道建立等连续过程。

图 2｜角质形成细胞、成纤维细胞和黑色素细胞被映射到同一三维毛囊坐标

图 3｜毛囊器官发生可划分为三个连续分子阶段，伪时间 0–0.3：诱导/轴向建立；0.3–0.7：分化；0.7–1：成熟与生长

结论:

厚组织空间组学不仅是“显微镜需要拍得更深”。随着样本厚度增加，反应腔必须为组织预留足够空间，避免夹压和形变；探针、酶、清洗液需要在较大体积内充分交换；多轮成像期间还要维持组织位置和光学窗口稳定。

2.从小范围成像走向器官级三维图谱

文献解读二：MERFISH+ 如何扩大检测通量、成像面积与连续切片规模

流体装置与成像系统升级，让器官级空间图谱成为可能

为了覆盖完整的人心脏连续切片，研究团队同步升级显微系统和微流控装置。与原有约 1.25 cm² 的成像区域相比，新流体装置将可用成像面积扩大到约 13.5 cm²；配合更大靶面相机和更高功率光源，整体成像通量提升约 10 倍。

图 4｜A：成像系统通量提升；B：流体装置成像面积扩大；C：连续心脏切片采集方式

研究团队对一颗约12周的发育期人心脏进行连续横切，获得53张间隔112 μm的切片。每张切片先完成大面积、多轮原位成像，再以连续解剖结构为参照进行跨切片配准，从而复原心脏的三维结构。

图 5｜大面积覆盖每一张切片，为跨切片配准和三维重建提供连续解剖参照

基于上述连续切片成像与跨切片配准，MERFISH+最终构建出包含约310万个细胞和34类细胞群体的三维心脏图谱。需要强调的是，这里的“整器官三维空间组学”并不是将完整心脏直接放入流动腔，而是通过大尺寸连续切片成像与三维配准实现的。

大面积覆盖之后，1,835个基因进一步解析细胞亚群

更多目标基因意味着更精准的细胞类型与亚群识别，同时能实现这些基因在整张心脏切片中的定位。MERFISH+ 在发育期人心脏组织中检测 1,835 个基因，识别出新的心肌细胞和内皮细胞亚群，并展示了左右心房、左右心室及特定区域出现不同的细胞亚群与基因表达梯度。

图 6｜左：细胞类型在心脏中的分布；中/右：特定心肌亚群及基因在左右心结构中的空间表达差异

结论:

对本篇的流动腔而言，MERFISH+最重要的启示不只是检测基因数增加，而是大面积样本在多轮反应与成像过程中，仍需保持完整覆盖、稳定承载和可重复配准。

3.两篇文献共同指向：样本界面正在升级

3DEEP-HybISS与MERFISH+代表了获取三维空间信息的两条不同路径：前者沿Z轴进入数百微米厚的组织内部，后者沿XY方向扩大单张切片的成像范围，再通过连续切片配准重建器官三维结构。两种方法采用的探针体系、成像平台和数据分析流程并不相同，但对实验系统提出了相似要求：样本需要稳定固定，试剂需要完整覆盖，并在多轮反应与成像过程中保持位置一致。随着样本变厚、面积变大、实验轮次增加，流动腔也不再只是容纳样本的腔体，而是连接样本、流体交换与显微成像的重要界面。

从更深的组织到更广的空间范围

从400 μm厚组织中的三维分子检测，到13.5 cm²大面积成像和53张连续切片构建的器官图谱，三维空间组学正在同时向“更深”和“更广”拓展。在这一过程中，显微镜、探针体系和图像分析决定了检测与解析能力，而流动腔承担的是样本固定、试剂覆盖、光学观察和多轮重复定位之间的连接。选择与样本尺度相匹配的流动腔，能够让复杂的多轮原位实验获得更加稳定、连续和可重复的成像结果。流动腔的选择不能只看样本“能不能放进去”，还需要综合考虑样本尺寸与厚度、反应空间、观察面积，以及与显微镜载物台的适配方式。针对不同尺度的多轮原位反应与显微成像需求，FluidicLab FlowCell系列提供了从标准载玻片到大尺寸组织样本的多种承载方案。

FluidicLab FlowCell系列提供了从标准载玻片到大尺寸组织样本的多种承载方案。

REFERENCES 参考文献

1. Asami, S., Yin, C., Fan, J., Garza, L. A. & Kalhor, R. Four-dimensional molecular mapping from a spatial snapshot reveals the dynamics of hair follicle organogenesis. Cell 189 (2026). DOI: 10.1016/j.cell.2026.06.014.2. Kern, C. et al. MERFISH+, a large-scale, multi-omics spatial technology resolves the molecular holograms of the 3D human developing heart. bioRxiv (2025). DOI: 10.1101/2025.11.02.686137. Preprint, not peer reviewed.