DNA芯片印刷技术

DNA芯片是一种重要的基因组学工具，应用范围涵盖高通量基因检测、DNA合成以及新兴的空间组学等众多领域。广泛使用的DNA芯片由高密度的DNA点阵构成，点阵中的每一个点对应一簇序列特定的DNA分子。这类DNA阵列通常被固定在玻璃表面，作为分子探针分析复杂的生物样品。点阵单元的大小通常决定了DNA芯片的分析通量。点阵单元之于DNA芯片类似像素之于图片，越小、越密集的点阵单元可以提供更高的空间分辨率，实现对各种生物组织进行单细胞甚至亚细胞分辨率级别的核酸和蛋白的原位捕获与测序。

高分辨率DNA芯片的一个重要用途是单细胞空间组学。那么什么是单细胞空间组学呢？举例来说：当前生物医学领域一个重大的工程是绘制人体组织的三维细胞图谱，其目的是分析每一种器官组织是由哪些类型的细胞按照怎样的空间排布构成的。绘制这个细胞图谱需要回答两个基本问题：1）器官组织内的每个细胞属于什么类型，表达哪些特异的基因与蛋白；2）每个不同的细胞在组织内怎么空间排布的。单细胞空间组学技术就是能同时回答这两个问题，用来绘制三维细胞图谱分子表达的强大工具。它能够直接在形态完整的组织切片上，对细胞内成千上万种核酸和蛋白进行定量分析，确定这些细胞的细胞类型，以及它们是否处于特殊的细胞功能状态。除了绘制细胞图谱，单细胞空间组学技术还可以系统分析特定组织、特定功能、特定位置的每一种细胞可能发生的病理变化、以及其对药物的反应。所以该技术可以用于精准诊断各类疾病的发病机理，及指导设计有效的治疗方法。

2022年11月10日，华盛顿大学西雅图分校医学院生化系古良才团队在Cell上发表了文章Polony gels enable amplifiable DNA stamping and spatial transcriptomics of chronic pain，首次实现在聚丙烯酰胺凝胶表面重复印刷分辨率到达1微米的高密度DNA芯片。他们将这种芯片命名为polony gel，并将其运用于空间转录组学，发明了新的单细胞空间转录组技术——Pixel-seq，并成功提高了这类技术的空间分辨率和检测灵敏度。他们应用该技术绘制了小鼠重要且相对复杂的脑干区域的单细胞水平空间基因表达图谱，并首次揭示了慢性神经性疼痛诱发的脑区内各类细胞发生的基因差异表达。