【引言】

在传统的二维空间转录组学（Spatial Transcriptomics, ST）图景里，每一张组织切片都像一幅“平面地图”。研究者可以看到基因在切片表面“点状”分布，却难以窥见立体组织内部的纵深结构。对于大体积肿瘤、完整胚胎、甚至整脑样本，二维切片的拼接不仅昂贵且破坏性极强。能否在保留组织完整性的情况下，用很少的二维 ST 数据，再结合非破坏性三维影像（如荧光光片、光声或micro‑CT），就重建出整块组织的“分子立体图”？2025 年 2 月发表于 arXiv 的 VORTEX（VOlumetrically Resolved Transcriptomics EXpression）给出了一个惊艳的答案。

【什么是 3D ST，为什么难？】

三维 ST 的理想形态是在完整体积中为每个体素赋予基因表达谱。但现有实验方案需要将组织切到极薄、逐层做 ST，再做高精度配准与拼接。切片厚度一旦下降到 10 µm 乃至 5 µm，想覆盖 1 cm³ 组织就需上千张切片，任何手抖、批次噪声都可能使信息错位。而且，RNA 退化和染色差异也会令跨片比较充满挑战。因此，“用智能算法把有限 2D ST 投射到 3D 影像上”成为当前最具性价比的突破路线。

【VORTEX 架构剖析】

VORTEX 整体框架分为「预训练」「特定样本微调」「体积推理」三步。

第一步，研究团队收集来自肝、肾、脑、乳腺等多种组织的 3D 影像（光片显微和micro‑CT）与对应的 2D ST 切片。在这些“影像–转录组”配对上进行自监督预训练，让模型学到“形态特征 ↔ 基因模式”之间的通用映射。

第二步，当面对一块全新组织时，只需在体积外围选取 5–10 张关键切片做常规 ST 实验，获得稀疏的 2D 表达矩阵。将这些切片在 3D 影像坐标里标记后，VORTEX 以极低学习率微调，使模型快速适应该样本的专属形态‑分子关系。

第三步，模型进入推理阶段——以 20 µm 体素为粒度，逐层扫描 3D 影像，生成所有基因的稠密表达张量。一方体积不到 10 分钟即可完成，且推理显存需求稳定在 12 GB 左右。

【AI‑Transfer：何时泛化，何时微调？】

论文作者指出，随着预训练样本多样性提升，模型对“公共基因形态特征”的学习趋于饱和。例如，血管、脂肪、腺样上皮等结构在不同器官中呈现的光学纹理虽然细节不同，但整体密度与基因集合高度一致；这类特征无需微调就能迁移。而肿瘤异质区或胚胎特定阶段的形态差异，则需要通过少量 2D ST 切片微调才能精准映射。测试数据显示：若忽略微调，模型在公共基因集合上的 Pearson r 仍可达 0.75；加入 6 张切片微调后，r 值瞬间升至 0.88，并显著提升空间可变基因检测灵敏度。

【与实验 3D ST 对比的五大优势】

1. 非破坏性：只需一次光片或micro‑CT 扫描，不动刀即可保存组织原貌。
2. 速度快：从拍片到分子体积输出最快 48 小时，而全切片方案常耗费数周。
3. 成本低：2D ST 切片减少至传统方案的 1/10；影像采集用通用成像平台完成，无需昂贵定制芯片。
4. 可拓展：体积大小几乎仅受 GPU 显存与磁盘 I/O 限制，理论上可扩至整鼠脑。
5. 数据完整：避免跨片 RNA 退化与批次染色差异，所得分子场连续光滑，利于下游空间统计。

【典型应用场景】

• 肿瘤活检：对乳腺癌切除块进行 micro‑CT + 少量切片 ST，快速重建 3D 免疫细胞分布，为术后放疗规划提供“分子导航”。
• 器官发育：在小鼠心脏胚胎期，通过宏观光片附加少量 ST，追踪心肌嵴的迁移轨迹与 Notch 信号波前。
• 脑科学：结合全脑光片显微，预测神经核团间的基因联络，辅助电路‑分子耦合研究。
• 药物分布：给药 24 h 后对肝脏扫描，VORTEX 重建药物代谢相关基因在三维网状脉管中的递进式激活带。

【挑战与未来机会】

➣ 影像‑基因非线性：极度均质或高散射组织下，影像纹理信息贫乏，模型需引入多模态信号（荧光标记、质谱成像）方可弥补。

➣ 长尾基因：低表达、无明显形态对应的新基因，目前预测误差仍偏大。未来可结合跨样本注意力或大语言模型式表达约束解决。

➣ 数据隐私：跨中心预训练涉及人类临床样本，如何在不泄露患者信息的前提下共享 3D 影像‑转录组对，是通往“百万人体积模型”的关键。

➣ 算法打包：业内呼声最高的是“一键式套件”，将切片配准、体积分割、模型推理整合到 GUI 或云平台，降低病理实验室使用门槛。

【结语】

空间转录组学正从“平面地图”迈向“分子地球仪”。VORTEX 以深度学习的方式，把组织影像变成可解析的三维坐标系，让基因表达跳出薄切片的桎梏。在可以预见的未来，当高清影像与少量标注成为常规，“虚拟 3D ST”将像 Google Earth 一样，让科研人员在微米尺度自由翱翔。你准备好把下一块样本交给 VORTEX，让它带你潜入组织内部的分子秘境了吗？