Spatial Biology

Biologie spatiale définie

Qu'est-ce que la biologie spatiale ?

La biologie spatiale (également appelée omique spatiale) est un domaine multidisciplinaire qui combine la biologie, la génétique, la génomique et les techniques d'imagerie pour étudier l'organisation spatiale et les interactions des molécules biologiques, des cellules et des tissus dans leur environnement d'origine. Il s'agit de comprendre comment la disposition spatiale des composants biologiques influence leurs fonctions, leur comportement et l'ensemble des processus biologiques.

Traditionnellement, la biologie s'est principalement concentrée sur l'étude des systèmes biologiques en analysant leurs composants de manière isolée ou en utilisant des mesures globales. Cependant, la biologie spatiale reconnaît que les processus biologiques se produisent dans le contexte de relations spatiales complexes. En examinant l'organisation spatiale des molécules, des cellules et des tissus, les chercheurs peuvent obtenir des informations précieuses sur les mécanismes sous-jacents qui régissent les phénomènes biologiques.

Les progrès technologiques, tels que les techniques d'imagerie à haute résolution, ont permis aux chercheurs de visualiser et d'analyser les structures et les interactions biologiques à un niveau de détail sans précédent. La biologie spatiale exploite ces techniques pour cartographier la distribution des molécules, des protéines, des ARN et d'autres biomolécules à l'intérieur des cellules et des tissus. Elle permet de mieux comprendre comment les molécules et les cellules interagissent dans l'espace pour former des réseaux et des systèmes biologiques complexes.

La biologie spatiale a de nombreuses applications dans divers domaines de la biologie, notamment la biologie du développement, les neurosciences, la recherche sur le cancer, l'immunologie et la microbiologie. Elle peut aider à découvrir les modèles spatiaux d'expression des gènes, à identifier les types de cellules et leurs interactions au sein des tissus, à étudier les voies de signalisation cellulaire, à étudier l'architecture des tissus et à explorer la dynamique spatiale des maladies infectieuses, entre autres domaines.

L'intégration des informations spatiales aux données moléculaires et génomiques peut révolutionner notre compréhension des systèmes biologiques, en fournissant de nouvelles informations sur la santé, les mécanismes des maladies et les cibles thérapeutiques potentielles. La biologie spatiale est un domaine émergent qui évolue rapidement, et les recherches et développements technologiques en cours continuent de repousser ses limites et d'influer sur notre compréhension des systèmes biologiques complexes.

Comment sélectionner les anticorps pour les applications de biologie spatiale ?

Le choix des bons anticorps est crucial pour les applications de biologie spatiale afin de garantir une détection précise et fiable des molécules cibles dans le contexte tissulaire ou cellulaire. Voici quelques éléments à prendre en compte lors de la sélection des anticorps pour les études de biologie spatiale :

• Spécificité : il est essentiel de choisir des anticorps très spécifiques de la molécule cible. Les anticorps présentant une faible réactivité croisée réduisent les risques de coloration faussement positive ou non spécifique, ce qui garantit une détection et une interprétation précises de la distribution spatiale de la molécule cible.
• Validation : sélectionnez des anticorps dont les performances ont été validées de manière approfondie pour l'application envisagée. Recherchez des anticorps qui ont été testés dans des techniques de biologie spatiale telles que la transcriptomique spatiale, la protéomique spatiale ou les méthodes basées sur l'imagerie. Envisagez d'utiliser des anticorps dont les données ou les références publiées attestent de leur spécificité et de leurs performances dans les applications spatiales.
• Espèce hôte et isotype : si vous utilisez des méthodes de détection indirecte, telles que l'immunofluorescence ou la coloration chromogène, sélectionnez des anticorps primaires provenant d'une espèce hôte différente de celle des réactifs de détection secondaires. Cela minimise le risque de réactivité croisée et de coloration de fond. En outre, si plusieurs anticorps primaires provenant de la même espèce hôte sont nécessaires, il convient d'envisager l'utilisation d'anticorps primaires d'isotypes différents.
• Capacité de multiplexage : si vous avez l'intention d'effectuer une coloration multiplexée pour détecter plusieurs cibles simultanément, choisissez des anticorps compatibles avec les techniques de multiplexage. Veillez à ce que les anticorps aient des spectres d'émission distincts ou puissent être distingués à l'aide de méthodes d'imagerie ou de détection appropriées.

Quelle est la différence entre la biologie spatiale et l'analyse de cellules uniques ?

L'analyse unicellulaire et la biologie spatiale sont des concepts étroitement liés qui se complètent dans l'étude des systèmes biologiques. L'analyse unicellulaire se concentre sur la caractérisation et l'étude des cellules individuelles au niveau moléculaire, ce qui permet aux chercheurs de comprendre l'hétérogénéité et la diversité au sein d'une population de cellules. Elle fait appel à des techniques telles que le séquençage de cellules uniques, la cytométrie de masse et l'imagerie de cellules uniques, qui permettent de mesurer l'expression des gènes, l'abondance des protéines et d'autres caractéristiques moléculaires dans les cellules individuelles.

La biologie spatiale, quant à elle, se concentre sur l'organisation spatiale et les interactions des molécules biologiques, des cellules et des tissus dans leur environnement d'origine. Elle vise à comprendre comment la disposition spatiale des composants biologiques influence leurs fonctions et leur comportement. Les techniques de biologie spatiale font appel à des méthodes d'imagerie à haute résolution, telles que l'hybridation fluorescente in situ (FISH), la transcriptomique spatiale et la protéomique spatiale, qui permettent de visualiser et de cartographier les molécules et les cellules dans leur contexte spatial.

L'intégration de l'analyse unicellulaire et de la biologie spatiale permet aux chercheurs d'acquérir une compréhension plus complète des systèmes biologiques. En combinant les données de séquençage de cellules uniques avec des informations spatiales, les chercheurs peuvent non seulement identifier différents types de cellules et leurs profils d'expression génétique, mais aussi déterminer leur distribution spatiale dans les tissus. Cette intégration permet de mieux comprendre les relations spatiales entre les cellules, leur spécialisation fonctionnelle et leurs interactions avec les cellules voisines.

En outre, les techniques de transcriptomique à résolution spatiale, telles que la transcriptomique spatiale et le séquençage de l'ARN à résolution spatiale, permettent de mesurer simultanément l'expression des gènes et les informations spatiales au sein des tissus. Ces techniques fournissent un atlas d'expression génique spatialement résolu, permettant aux chercheurs d'identifier les types de cellules, les modèles d'expression génique spatialement régulés et les interactions cellule-cellule au sein de tissus complexes.

En combinant l'analyse de la cellule unique avec la biologie spatiale, les chercheurs peuvent démêler l'hétérogénéité et l'organisation spatiale des cellules dans les tissus, élucider les interactions cellulaires et les réseaux de communication, et acquérir une compréhension plus profonde du développement des tissus, de la progression des maladies et de la réponse aux thérapies. Cette intégration peut faire progresser notre connaissance des systèmes biologiques et contribuer à des domaines tels que la biologie du développement, la recherche sur le cancer, la neurobiologie, l'immunologie, etc.

Qu'est-ce que la microscopie à ADN ?

La microscopie de l'ADN est une technique combinant la biologie moléculaire et la microscopie qui trouve son origine dans l'étude de l'organisation de l'ADN. La méthodologie sous-jacente peut être étendue pour visualiser une variété de cibles à haute résolution tout en conservant les informations spatiales. Par rapport à l'imagerie à super-résolution, la protéomique unicellulaire avec des niveaux de multiplexage plus élevés est possible en microscopie ADN grâce à l'utilisation d'anticorps marqués par de courtes séquences d'ADN. Ces conjugués anticorps-oligonucléotides (AOC) sont utilisés pour lier des brins complémentaires en vue de leur détection.

Dans le cas de DNA-PAINT (Point Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography), les brins de l'imageur marqués avec un colorant fluorescent se lient et se délient rapidement des brins d'ancrage de l'AOC. Un signal fluorescent est émis lors de chaque liaison (clignotement). Comme plus de photons sont émis par fluorophore, la localisation de la cible est plus précise. L'exposition à l'imagerie peut être plus longue car le blanchiment n'est pas un problème. Cela permet une résolution moléculaire.

La pixellisation moléculaire est une nouvelle méthode qui utilise des AOC à code-barres sur des cellules fixées. Les codes-barres ADN contiennent des informations sur chaque molécule, l'antigène ciblé et la proximité spatiale. Le séquençage de nouvelle génération permet une analyse quantitative multiplexée de l'abondance des protéines au niveau de la cellule unique. Les codes-barres spécifiques à l'emplacement permettent d'analyser le regroupement spatial (polarisation) de diverses protéines en une seule expérience.

Que sont Spatial CUT&Tag et MERFISH ?

Spatial CUT&Tag combine la caractérisation des modèles de liaison des protéines à la chromatine à l'échelle du génome avec un codage à barres assisté par microfluidique pour conserver les informations spatiales de l'échantillon, suivi d'un séquençage à haut débit. Dans CUT&Tag (Cleavage Under Targets & Tagmentation), un anticorps dirigé contre une protéine d'intérêt guide une protéine de fusion transposase A et/ou G Tn5 vers une région génomique définie pour la fragmentation de la chromatine. Des amorces d'amplification et de séquençage sont attachées aux produits de transposition qui sont ensuite séquencés et cartographiés. Spatial CUT&Tag comprend deux étapes de marquage à l'aide d'un flux guidé par microcanaux avant le séquençage afin de conserver les informations de localisation in situ des fragments de chromatine.

MERFISH (Multiplexed Error Robust Fluorescence In Situ Hybridization) utilise également des anticorps pour guider une protéine de fusion Tn5 hyperactive vers des marques épigénétiques. Cependant, les fragments d'ADN générés sont ensuite transcrits en ARN qui est ensuite détecté par fluorescence ou peut être séquencé.