基于PixF图像分析技术的牛肉呼吸道与肠道上皮流感及冠状病毒受体空间图谱解析

《Scientific Reports》：Spatial mapping of influenza and coronavirus receptors in the respiratory and intestinal tract epithelium of beef cattle using advanced PixF image analysis

本研究针对流感病毒(IAV)与冠状病毒(CoV)在牛群中的潜在传播风险，开发了新型网页版图像分析工具PixF，系统绘制了牛呼吸道和肠道组织中病毒受体（如SA α2,3-Gal、ACE2、TMPRSS2等）的空间分布。结果揭示SA α2,3-Gal在呼吸道上皮优势表达，而冠状病毒受体分布具组织特异性，为理解病毒跨种传播机制提供了关键数据。该研究为动物疫病防控策略提供了新视角，工具PixF兼具高效性与易用性，有望推动病原-宿主相互作用研究的技术革新。

　　

近年来，高致病性禽流感病毒（HPAI H5N1）在乳牛中的暴发以及SARS-CoV-2在多种动物中的感染案例，不断警示我们人畜共患病毒对全球公共卫生和畜牧经济的威胁。病毒入侵宿主细胞的第一步依赖于其与特定细胞受体的结合，而受体在组织中的分布模式直接决定了病毒的感染趋向性和跨物种传播潜力。牛作为重要的经济动物，不仅是流感病毒（如流感C型、D型）和牛冠状病毒（BCoV）的天然宿主，还可能成为新型病毒适应的“混合容器”。然而，传统研究多局限于单一受体或单一技术平台，缺乏对多种病毒受体在牛关键组织（如呼吸道和肠道）中空间表达模式的系统比较，且现有图像分析工具（如ImageJ）操作复杂、耗时长，限制了大规模数据的快速解析。

为解决上述问题，来自爱荷华州立大学的研究团队在《Scientific Reports》上发表了题为“Spatial mapping of influenza and coronavirus receptors in the respiratory and intestinal tract epithelium of beef cattle using advanced PixF image analysis”的研究。该研究自主开发了一款名为PixF的网页版图像分析工具，通过结合荧光凝集素组织化学染色和间接免疫荧光技术，首次在牛肉牛的呼吸道（气管、肺）和肠道（小肠、大肠）组织中实现了流感病毒受体（唾液酸SA α2,3-Gal和SA α2,6-Gal）与冠状病毒受体（ACE2、TMPRSS2、APN、DPP4、CEACAM1）的高分辨率空间定量图谱绘制。

研究团队通过以下关键技术展开工作：首先，采集3头健康杂交荷斯坦-安格斯肉牛的呼吸道与肠道组织样本，进行石蜡包埋和切片；其次，利用荧光标记的凝集素（SNA、MAL-I、MAL-II）和特异性抗体，通过共聚焦显微镜获取受体分布图像；最后，使用PixF工具对图像进行像素级荧光强度分析，生成3D条形图直观展示受体共定位情况。PixF工具支持自定义色标映射、快速通道分离和批量处理，其网络化界面显著降低了非专业用户的操作门槛。

Sialic acid distribution in the respiratory tract

研究发现，在呼吸道上皮中，禽流感病毒偏好的SA α2,3-Galβ(1-3)（MAL-II标记）在气管和支气管的纤毛假复层上皮顶膜及肺泡上皮中优势表达，而人源流感病毒受体SA α2,6-Gal（SNA标记）仅局限于杯状细胞和腺体组织。PixF定量分析进一步证实MAL-II在共定位区域的信号强度显著高于SNA。此外，唾液酸变体Neu5Gc在气管上皮顶膜和肺泡细胞膜中呈多灶性分布，提示其可能作为冠状病毒的辅助受体。

Sialic acid distribution in the intestinal tract

肠道组织中SA α2,3-Gal受体（尤其是MAL-II）在肠上皮细胞和杯状细胞中广泛存在，且MAL-II标记强度高于MAL-I。SA α2,6-Gal主要分布于上皮下区域，而Neu5Gc在小肠绒毛上皮和杯状细胞中表达明显，在大肠中则呈散在分布。这种差异暗示不同肠段对病毒感染的易感性可能存在分化。

Coronavirus receptors in respiratory and intestinal tracts

冠状病毒受体表达呈现组织特异性：ACE2在气管、肺泡和肠道上皮中高表达，TMPRSS2、APN和DPP4在呼吸道黏膜上皮中广泛分布，而TMPRSS2和DPP4在肠道绒毛和隐窝区均匀表达。CEACAM1在呼吸道中表达有限，肠道中几乎未检测到。受体共表达分析提示，肺泡和肠道上皮可能成为多种冠状病毒的潜在入侵门户。

研究通过PixF工具生成的热图整合了所有受体的表达模式，直观揭示了病毒受体在牛组织中的分布规律。这些结果不仅证实了牛对禽流感病毒（如H5N1）的易感性基础，也为解释BCoV和SARS-CoV-2等冠状病毒在牛群中的感染机制提供了分子依据。例如，呼吸道中丰富的SA α2,3-Gal受体与近期H5N1疫情在乳牛中的暴发相吻合，而肠道中ACE2和TMPRSS2的高表达则提示消化道可能是冠状病毒的次要感染靶点。

本研究的核心创新点在于将自定义图像分析工具PixF与病原受体图谱绘制相结合，实现了从技术方法到生物学意义的闭环验证。尽管PixF在现阶段定位为原型工具，其快速处理能力和易用性已展现出在大规模筛查和教学中的应用潜力。未来，通过进一步优化算法和扩展功能，PixF有望成为病原学、组织病理学领域的重要辅助平台。综上所述，该研究不仅深化了对牛作为病毒“混合容器”角色的理解，也为开发针对性的疫病监测和阻断策略提供了数据支撑，凸显了跨学科工具在应对新发传染病威胁中的价值。