Codage optique multiplexé et séquençage pour les omiques spatiales

Voir où les molécules résident dans les tissus

Nos corps sont composés de nombreux types de cellules agencées selon des motifs précis, et ces motifs importent pour la santé et la maladie. Les scientifiques disposent d’outils puissants pour mesurer quels gènes sont actifs dans les cellules, mais ces outils perdent souvent la trace de l’endroit exact du tissu d’où provient chaque mesure. Cet article présente une nouvelle méthode, appelée MOLseq, qui vise à conserver ces deux informations en même temps : ce que fait chaque cellule et où elle se situe précisément.

Pourquoi la localisation compte pour les molécules

Ces dernières années, les « omiques spatiales » ont changé la façon dont les chercheurs étudient les tissus. Plutôt que d’examiner des cellules isolées, les scientifiques demandent désormais quels gènes sont activés dans chaque cellule pendant que celle-ci reste dans son voisinage d’origine. Les approches existantes se répartissent en deux grands types. Les méthodes d’imagerie utilisent des microscopes et des marqueurs fluorescents pour visualiser directement des milliers de molécules dans les cellules avec un grand niveau de détail, souvent jusqu’à des structures subcellulaires. Mais elles exigent généralement de choisir à l’avance quels gènes observer. Les méthodes de séquençage, en revanche, peuvent lire pratiquement tous les gènes actifs en une seule fois, mais elles brisent typiquement les signaux de plusieurs cellules et n’enregistrent des positions que sur des grilles bidimensionnelles grossières. En conséquence, les chercheurs doivent souvent choisir entre l’étendue de l’information et la précision de la localisation.

Un système d’adresses contrôlé par la lumière

MOLseq propose un moyen de combiner l’étendue du séquençage avec le contrôle précis offert par la lumière. L’idée centrale est d’attribuer aux molécules à l’intérieur des cellules une sorte de « code postal » qui enregistre leur position, puis de lire à la fois ce code postal et l’identité des gènes par séquençage. D’abord, la méthode fixe un court amorce d’ADN aux ARNm à l’intérieur de cellules fixées et convertit ces ARNm en copies d’ADN. Ensuite, à l’aide d’un dispositif de type projecteur qui éclaire par motifs avec de la lumière ultraviolette (UV), MOLseq ajoute de courtes « lettres » d’ADN à ces copies seulement dans les régions illuminées. Chaque éclairage ajoute exactement une lettre, et la séquence des lettres construit un code-barres unique pour chaque emplacement. Après plusieurs cycles, les molécules provenant de régions différentes portent des codes-barres distincts, qui servent d’adresses spatiales lorsque l’échantillon est ensuite dissocié et séquencé.

Parce que les codes-barres sont construits étape par étape, le nombre d’adresses possibles croît rapidement avec le nombre de lettres et de cycles. Les auteurs montrent que leur chimie activée par la lumière peut ajouter des lettres en série avec environ 90 % de succès par étape, et que plusieurs lettres peuvent être gérées en parallèle à l’aide de brins auxiliaires conçus. Dans des expériences en culture cellulaire, ils ont généré des centaines de codes-barres distincts in situ et confirmé les longueurs de code-barres attendues à l’aide d’un instrument de mesure de la taille de l’ADN. Fait important, ils ont aussi conçu des schémas de codage capables de signaler et de corriger certaines erreurs, améliorant la fiabilité même lorsque des étapes individuelles ne sont pas parfaites.

Écrire les codes-barres une cellule à la fois

Une promesse clé de MOLseq est le contrôle précis du lieu d’écriture des codes-barres. En dirigeant la lumière UV avec un dispositif à micromiroirs numériques, l’équipe a photo-découpé et ligaturé sélectivement des lettres dans des régions allant de grandes taches jusqu’à des cellules individuelles. Ils ont utilisé des sondes fluorescentes pour visualiser où les lettres avaient été ajoutées, montrant que des cellules voisines à quelques micromètres de distance recevaient presque pas de signal non désiré. Dans une expérience, ils ont assigné avec succès des codes-barres uniques de trois lettres à 64 cellules individuelles dans la même plaque. La modélisation des données a indiqué que la probabilité d’ajout d’une lettre hors-cible à un cycle donné n’était que de quelques pourcents, tandis que le taux d’ajout prévu sur la cible restait élevé.

Pour tester si ces codes-barres pouvaient guider des lectures complètes de gènes, les chercheurs ont disposé des cellules humaines et murines dans des régions séparées sur la même lamelle et appliqué MOLseq. Ils ont construit des codes-barres distincts de deux lettres pour les régions humaines et murines, confirmé leur séparation spatiale par imagerie, puis séquencé le matériel codé. Les lectures portant le code-barres « région-humaine » se sont majoritairement mappées sur des gènes humains, et celles portant le code-barres « région-murine » sur des gènes murins. La petite fraction d’erreurs apparentes était similaire à ce qu’on attend de la similarité naturelle des séquences entre les deux espèces, ce qui suggère que la plupart des confusions ne proviennent pas du codage lui-même mais des ambigüités inévitables lors du mappage des lectures.

Promesses et prochaines étapes

En associant le façonnage de la lumière au séquençage de l’ADN, MOLseq ouvre la voie à un avenir où les chercheurs pourront scanner de larges zones tissulaires, capturer l’activité de nombreux gènes sans pré-sélection, tout en sachant d’où provient chaque signal — potentiellement jusqu’à l’échelle de la cellule unique. La version actuelle fait encore face à des défis : effets lumineux hors-cible, rendement limité lorsque de nombreux cycles de ligation sont nécessaires, et la difficulté de récupérer suffisamment d’ARN à partir de régions très petites. Pourtant, l’étude montre que le codage optique multiplexé est pratique et précis dans des cellules en culture, et trace des voies réalistes pour augmenter la diversité des codes-barres et la correction d’erreurs. Pour les lecteurs, la conclusion est que des outils comme MOLseq pourraient bientôt permettre aux chercheurs de créer des « cartes moléculaires » détaillées des tissus, révélant comment la position des cellules et leur activité génétique interagissent dans le développement, la fonction cérébrale, le cancer et bien d’autres processus biologiques.

Citation: Venkatramani, A., Ciftci, D., Pham, K. et al. Multiplexed optical barcoding and sequencing for spatial omics. Sci Rep 16, 14086 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41186-y

Mots-clés: omics spatiales, codage optique, transcriptomique, profilage unicellulaire, séquençage ADN