空間生物學開拓疾病研究新視野　精準解析病原與免疫反應

【記者陳思妤／綜合外電】隨著生物醫學技術不斷演進，空間生物學（Spatial Biology）已成為傳染病研究及其他新興領域的關鍵工具。這種創新技術能在不破壞組織完整性的前提下，直接分析細胞在組織內部的分子特性與空間位置，揭示病原體複製、免疫反應組織以及宿主基因表現如何隨組織區域變化，彌補傳統方法忽略空間資訊的不足。

傳統的批量定序或單細胞 RNA 定序（scRNA-seq）技術，會將組織結構打散，導致細胞間的相對位置與病原體的分佈脈絡消失。而空間轉錄體學（Spatial Transcriptomics）及多重影像技術（multiplexed imaging）等空間生物學方法，則能完整保留組織的空間脈絡，讓科學家不僅能了解哪些宿主程式在感染期間被激活，更能精確掌握其激活位置、與病原體的距離以及與其他反應細胞的關係。

傳染病研究的革命性應用

空間生物學已在多種傳染病研究中展現巨大潛力。例如，應用於嚴重特殊傳染性肺炎（COVID-19）患者的肺部解剖組織，該技術區分了病毒核糖核酸（RNA）存在區域與不存在區域的發炎反應，成功解碼急性感染期間組織內部的高度異質性。2021年發表於《自然》（Nature）期刊的研究便透過此方法，繪製了COVID-19肺部空間圖譜，發現病毒RNA富集在單核吞噬細胞和內皮細胞中，且活躍病毒區誘發的宿主基因表現與鄰近未感染組織顯著不同。

在結核病（TB）研究方面，空間轉錄體學以分子解析度揭示了結核肉芽腫（granuloma）的複雜結構。研究顯示，肉芽腫核心、周邊巨噬細胞層和外圍淋巴細胞環具有截然不同的基因表現程式，推翻了傳統上將其歸類為兩種結構的簡單認知。針對瘧疾的研究，2024年發表於《Nature Communications》的研究對感染瘧原蟲小鼠肝臟進行空間分析，識別出多個免疫細胞浸潤的「發炎熱點」，並發現活躍感染區域附近的脂質代謝基因表現上調。

人類免疫缺陷病毒（HIV）的持續性感染機制，也與其在組織中的空間分佈息息相關。2025年發表於《Current Opinion in HIV and AIDS》的評論建議繪製HIV組織空間圖譜，以釐清淋巴組織中感染細胞群體的組織方式，這對於理解為何HIV在抗反轉錄病毒治療下仍能持續存在至關重要。

空間微生物群分析與新興領域發展

空間微生物群分析透過改良的空間 RNA 定序協定，能以接近 1 微米（µm）的解析度同時繪製宿主組織和微生物群落結構。這種方法揭示了腸道微生物群與宿主組織之間的空間關係如何影響其功能，例如2023年 Cao 等人於《Nature Communications》發表的 SEER-FISH 技術，能以微米尺度精確定位多種微生物類群。2026年《Nature Microbiology》的一項研究結合酵素原位聚腺苷酸化技術，以 1 µm 解析度繪製腸道微生物群的生物地理分佈，揭示了腫瘤相關的宿主-微生物介面變化。

空間生物學的應用已從腫瘤學和神經科學，擴展到纖維化、傷口癒合、基因治療載體趨向性定位以及類器官（organoid）特性分析等新興領域。舉例來說，空間轉錄體學有助於定位傷口癒合組織內的細胞群體，區分促進再生與導致疤痕形成的微環境。它還能解析基因治療載體在複雜組織中轉導的細胞類型，支持載體設計與安全性評估。由於類器官能自發組織成具有空間區隔的結構，空間生物學能揭示其內部建築，超越單細胞分析的限制，並提供具有結構保真度的感染模型。