一小团均质细胞如何发育成完整胚胎？基因如何实现时空精确调控？基因的时空动态是解析胚胎发育的核心。但传统原位杂交通量低，单细胞测序则丢失空间信息。现有空间组学技术中，测序类方法捕获效率低、分辨率不足；成像类方法如MERFISH虽至亚细胞精度，却局限于薄切片，在斑马鱼等百微米级全胚胎中信号衰减严重，且编码灵活性受限。加之发育过程中细胞剧烈运动，现有技术难以整合活体追踪，无法解析组织边界与细胞命运的时空动态。

针对这一瓶颈，2026年3月，瑞士巴塞尔大学Alex Schier团队在 Science 杂志上发表了一项里程碑式的工作。研究团队开发了一项名为weMERFISH（whole-embryo multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization）的全胚胎成像平台，首次在数百微米厚的完整斑马鱼胚胎中实现了亚细胞分辨率的空间转录组分析，系统性追踪了从原肠胚形成到早期器官发生三个关键发育阶段的495个基因表达动态，并通过数据推算将这一覆盖面扩展至超过25,000个基因和近30万个染色质可及性区域。

 图1 weMERFISH平台设计策略

研究团队以MERFISH这一经典的成像空间组方法为技术根基，该技术的关键优势在于“抗误差”——条码设计采用纠错编码方案（如汉明码），即使个别轮次的信号出现偏差，仍可通过冗余信息准确识别RNA分子，从而在保持高灵敏度的同时大幅提升检测通量。当将这套技术应用于数百微米厚的完整斑马鱼胚胎时，面临的挑战远不止简单的规模放大——信号在深层样本中的穿透衰减、多轮杂交中RNA降解导致的样本不稳定、以及对数千种基因成像时灵活性不足的操作流程，这也是厚组织3D成像技术的困境。weMERFISH正是针对这些挑战而生的技术升级。

技术创新点：

针对完整胚胎样本的特性，研究团队进行了三项核心的技术策略重构，分别对应样本稳定性、成像灵活性以及信号强度三大痛点：

探针锚定方式：在靶向RNA的一级探针上引入丙烯酰胺修饰，与覆盖胚胎的聚丙烯酰胺凝胶共价交联，形成超稳定的“分子支架”，使样本耐受60轮以上的反复洗脱与成像，彻底解决了完整胚胎在多轮杂交中的空间信息丢失问题；

编码本混合策略：采用可独立加载的接头探针，将组合条形码与靶向探针解耦，实现了多基因高通量测绘与单基因高精度smFISH成像之间的实时灵活切换，大幅提升了实验流程的适配性。；

双层分支树信号放大系统：在单个mRNA分子上构建两级分支放大结构，将荧光信号强度提升约三倍，有效克服了厚组织深层的信号衰减，保证了全胚胎范围内单分子检测的均一性和灵敏度。

图2 数据推算策略

weMERFISH的创新并非只在实验层面，在数据层面同样做出了重要的创新，设计了两层多组学整合方案：

转录组 – 表观组整合：以 weMERFISH 直接检测的 495 个基因为空间锚点，结合匹配发育阶段的单细胞多组学（scMultiome，scRNA-seq+ATAC-seq）数据，通过 Tangram 算法，实现25872 个基因的空间表达推算，以及 294954 个染色质开放区域的空间定位，将成像类空间转录组的检测范围从数百个基因扩展到全基因组与调控组层面；

空间转录组 - 活体谱系追踪整合：开发 MERFISH-FATE 分析框架，将 weMERFISH 空间转录组数据与全胚胎活体细胞追踪数据跨模态配准，解决了胚胎发育中细胞运动掩盖基因表达动态的核心问题，实现了从原肠胚早期到中期的细胞命运图谱与基因表达动态变化的关联解析。

weMERFISH的技术策略和创新，不仅解决了一组具体的技术难题，更重要的是回答了发育生物学研究中一个根本性的问题：我们能否在完整胚胎的三维空间内、在维持单细胞和单分子精度的前提下，同时观测成百上千个基因的活动，并将其与细胞运动和形态发生建立起可检验的因果关系？

随着技术的持续优化，从二维切片到全胚胎三维成像，从有限基因到全基因组预测，从静态快照到四维时空动态解析。或许正如Alex Schier教授所展望的：“从长远来看，我们想了解需要哪些基因活动和细胞行为的组合才能形成特定的器官或组织。或许有一天，我们会发现构建心脏或脊髓有多少种方式。”

参考文献：Yinan Wan et al, Whole-embryo spatial transcriptomics at subcellular resolution from gastrulation to organogenesis, Science (2026).