生物分子在組織中的三維分布與其功能緊密關(guān)聯(lián)，然而傳統技術(shù)受限于分辨率與分子覆蓋度的雙重瓶頸，始終難繪“全息圖譜”。顯微鏡雖能捕捉亞細胞結構，卻僅限少數分子；質(zhì)譜成像雖可高通量檢測數百種分子，但空間分辨率不足。這一矛盾長(cháng)期阻礙了科學(xué)家對器官發(fā)育、衰老機制等核心問(wèn)題的深入探索。

近日，《Nature Methods》發(fā)布了Janelia團隊的最新成果——組織擴展質(zhì)譜成像技術(shù)（TEMI），首次實(shí)現完整組織中單細胞水平的數百種分子同步成像，破解分子空間定位難題。

該技術(shù)利用可膨脹水凝膠將組織樣本物理放大3-4倍，在保留分子原位信息的同時(shí)，將質(zhì)譜成像分辨率提升至1微米級（單細胞水平），并支持脂質(zhì)、代謝物、蛋白質(zhì)等超500種生物分子的無(wú)標記同步檢測。與傳統方法不同，TEMI無(wú)需改造現有質(zhì)譜設備，僅通過(guò)常規樣本處理即可適配全球實(shí)驗室，大幅降低技術(shù)門(mén)檻。

圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1070038

圖片信息：小腦層脂質(zhì)分布的 TEMI 映射。該圖像顯示了在小腦的三個(gè)獨特層中特異性富集的脂質(zhì)種類(lèi)：分子層、白質(zhì)層和顆粒細胞層。

從分子分布到跨組織應用

基于TEMI技術(shù)，研究團隊首次繪制了哺乳動(dòng)物小腦的單細胞分子圖譜，揭示小腦不同功能層（如分子層、顆粒細胞層）存在獨特的脂質(zhì)與代謝物組合，例如神經(jīng)鞘脂類(lèi)在分子層富集，而顆粒細胞層則呈現高濃度抗氧化代謝物，直接挑戰傳統“均勻分布”理論。

進(jìn)一步研究表明，TEMI在腎臟、胰腺等器官中同樣精準捕捉到分子梯度變化，如腎臟皮質(zhì)與髓質(zhì)交界處的能量代謝分子動(dòng)態(tài)分布，為器官功能分區研究提供了分子層面的新證據。此外，在腫瘤模型中，TEMI以單細胞精度揭示了同一腫瘤內脂質(zhì)合成與糖酵解通路的空間異質(zhì)性，為解析微環(huán)境調控機制打開(kāi)新窗口。

空間多組學(xué)邁向單細胞時(shí)代

TEMI的高兼容性與拓展性為其應用開(kāi)辟了廣闊前景。在基礎科研中，該技術(shù)可動(dòng)態(tài)追蹤器官發(fā)育、細胞分化及衰老過(guò)程中的分子網(wǎng)絡(luò )時(shí)空變化；在跨學(xué)科領(lǐng)域，其已驗證適用于植物與微生物樣本，未來(lái)或推動(dòng)農業(yè)育種（如定位作物抗逆分子標記）與生態(tài)研究（如解析微生物群落代謝互作）。

團隊還開(kāi)源了操作流程與數據分析工具包，全球約70%的質(zhì)譜實(shí)驗室可直接應用。隨著(zhù)自動(dòng)化試劑盒的推出，操作時(shí)間可從48小時(shí)縮短至6小時(shí)，進(jìn)一步推動(dòng)技術(shù)普及。“TEMI是空間多組學(xué)革命的起點(diǎn)，”通訊作者Paul Tillberg表示，“下一步將整合轉錄組數據，構建多維度的細胞‘分子身份證’。”

數據驅動(dòng)的生物學(xué)未來(lái)

研究團隊期待TEM像PCR技術(shù)一樣成為生物學(xué)的基礎設施。通訊作者M(jìn)eng Wang指出：“當每個(gè)實(shí)驗室都能繪制組織的分子地圖時(shí)，數據驅動(dòng)的顛覆性發(fā)現將呈指數級增長(cháng)。”目前，TEMI已在GitHub發(fā)布完整方案，并計劃與全球合作者共同優(yōu)化算法，拓展至更多分子類(lèi)別與樣本類(lèi)型。

雜志：Nature Methods

DOI：10.1038/s41592-025-02664-9