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题目：Organization of the human intestine at single-cell resolution
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2023年7月19日
通讯作者单位：斯坦福医学院
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05915-x
主要内容：
HuBMAP 研究小组生成了人类肠道、肾脏和胎盘的空间分辨细胞图谱，能够以前所未有的详细程度分析组织结构。
人体数以万亿计的细胞必须以精确的模式排列，组织和器官才能正常运作。HuBMAP 计划旨在为研究人员提供绘制全身细胞类型排列图所需的技术和资源，并绘制自己的多个器官图。这样，HuBMAP 将为研究人员提供更好地研究人体组织在健康和疾病中的复杂性的工具。本期发表的三篇论文标志着该计划迈出了关键一步，它们描述了人类胎盘、肠道和肾脏的参考细胞图谱。
单细胞转录组学方法用于鉴定单细胞或细胞核中的所有 RNA 转录本，从而揭示每个细胞的基因表达谱。这样，这些方法就为研究人员提供了相关组织中细胞类型的 "部件清单"。新出现的空间方法将这些部分结合在一起，从而生成细胞层面的组织图谱。测量组织中分子的空间方法大致分为测序法和成像法。
最常用的基于测序的空间方法之一是空间转录组学。在这种方法中，相关组织的切片被放置在特制的显微载玻片上。每个细胞的 RNA 都与一串核苷酸短片结合，该核苷酸短片包含一个分子条形码，是载玻片上该位置所独有的（每个位置称为一个体素，大约对应 5 到 40 个细胞）。该技术的最新版本可实现亚细胞分辨率，使用的是已知位置的分子条码珠。在这两种情况下，都是在组织外进行 RNA 测序，并利用附在每个 RNA 序列上的条形码重建空间信息。与匹配的单细胞转录组学数据（提供关于哪些细胞类型表达哪些基因的非空间信息）整合后，研究人员就能测出每个体素中各类细胞的大致比例。
基于成像的方法可以在单细胞水平上量化蛋白质（或转录本）的相对水平。为了对蛋白质进行平行成像，科学家们使用一组蛋白质的抗体，并用重金属同位素（一种称为 MIBI 的技术）或 DNA 条形码（CODEX）标记。金属同位素可以通过一种扫描组织的质谱仪成像。DNA 条形码与携带荧光标签的互补分子（称为探针）相互作用，可通过荧光显微镜进行检测（图 1）。通过这些方法，可以对每个细胞表达的蛋白质进行精确定量，并确定细胞邻域（特定细胞周围的细胞群），这些细胞群是组织结构的基础。不过，需要事先确定要研究的蛋白质组，而且通常只能同时测量几十种蛋白质。
格林鲍姆等人在《自然》杂志上撰文，利用MIBI获得了人类胎盘的细胞级图谱，特别是胎儿胎盘和母体子宫壁之间的界面。他们使用了 66 例终止妊娠的胎盘切片，重点研究了胎盘细胞侵入子宫壁的情况--这是重塑母体动脉的关键事件，其目的是将血液输送到母体和胎儿细胞相互作用的区域，而不损伤娇嫩的胎盘。通过使用MIBI，作者对不同发育阶段的多个样本进行了剖析，并以单细胞分辨率确定了胎盘和免疫细胞之间的相互作用。
通过对地图的分析，作者确定了母体免疫细胞如何在动脉内和动脉周围区域促进宽容环境（其生态位），从而使基因不同的母体子宫细胞和胎儿胎盘细胞和平共处。结合最近的胎盘空间转录组学，Greenbaum 及其同事的发现加深了我们对维持胚胎发育的母体血管转化的理解。
Hickey 等人的研究重点是肠道，这是一个复杂的器官，在其长度上表现出高度多样化的结构和功能。作者使用 CODEX 和单核转录组学绘制了肠道八个部位的图谱，样本来自九个人。作者发现，这些部位之间的细胞组成和组织发生了巨大变化。他们发现了以前未知的上皮细胞（肠道细胞）亚型，这些细胞排列在不同的邻近区域。他们还确定了富含免疫细胞的邻近区域，免疫细胞可在需要时随时被激活。总之，研究结果表明，肠道中的特化解剖区域由高度结构化的空间壁龛支撑，每个壁龛都具有独特的功能。只有使用空间方法才能获得这样的洞察力。
Lake 等人研究了 45 个健康肾脏和 48 个患病肾脏。作者确定了在急性肾脏损伤或慢性肾脏疾病过程中采用以前未确定状态的细胞的位置，包括可能阻碍损伤后肾小管形成的不适应组织修复状态。空间绘图显示了适应不良细胞与其他纤维化（组织瘢痕）和炎症细胞之间的细胞间通讯。作者还发现了与细胞休眠状态（即衰老）相关的转录组特征，这可能是导致肾衰竭的原因。
Hickey等人和Lake等人通过单细胞 "开放染色质 "检测补充了他们的空间图谱，这种检测提供了细胞中活跃转录因子的信息。作者们将各种方法结合起来，确定了不同组织龛位中介导细胞特性的转录因子。这些研究是一个有力的例子，说明将这些类型的检测与空间分析结合起来，可以获得细胞特性在背景中的连贯图景。
总之，这三篇论文展示了空间方法如何使科学家有能力以前所未有的分辨率分析组织和器官，为生成细胞图谱提供标准化方法。通过定义与疾病相关的细胞状态的空间位置，以及帮助全基因组关联研究--这些研究可以将特定的遗传变异与疾病联系起来，但却没有提供空间背景来说明该变异可能在哪种细胞类型中产生影响--从而促进我们对疾病的了解。我们预计，这项工作以及在其他期刊上发表的几篇HuBMAP论文，将激励人们在其他组织中生成空间图谱。
展望未来，这些研究凸显了不断推进空间技术的必要性。必须增加可在单组织载玻片上进行的检测数量，以提高亚细胞分辨率研究细胞的能力，并开始从载玻片上的二维研究转向真正的三维重建。分析的样本数量也必须增加，这样研究人员才能将空间组织与身体质量指数或疾病分期等其他信息联系起来。这种关联可以为了解疾病在体内特定位置的进展情况提供线索。
提高空间技术的广度和深度将最终建立起细胞组织与健康和疾病功能之间的紧密联系。目前的研究为实现这一目标做出了杰出贡献。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05915-x
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