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在肠道组织微环境中，宿主免疫系统与微生物组的相互作用复杂且受多种因素影响。为深入探究这种关系，研究人员开展了 “Microbiome Cartography（MicroCart）” 技术相关研究。结果发现结肠炎时肠道细胞、免疫反应、代谢等方面的变化。该研究为肠道疾病研究提供了新视角。
肠道，这个人体内部的 “小宇宙”，隐藏着无数的奥秘。其中，宿主免疫系统与微生物组之间的相互作用，就像一场精密而复杂的交响乐，时刻影响着人体的健康。在正常情况下，它们相互协作，维持着肠道的免疫稳态。微生物组可以通过向肠道内的 T 细胞等免疫细胞传递抗原，促进免疫耐受，就像给免疫系统 “打预防针”，让它更好地识别 “自己人” 和 “外来者”。然而，当这种平衡被打破，比如在炎症性肠病（IBD）、结直肠癌等疾病状态下，一系列问题就接踵而至。在 IBD 中，上皮细胞、免疫细胞和细菌细胞的功能发生变化，它们之间的 “和谐关系” 被破坏，引发肠道组织的急性免疫反应；结直肠癌患者的肠道内，微生物组与上皮细胞的相互作用改变，导致上皮细胞层受损、微生物组失调，进而促使肿瘤恶化。
为了深入了解这些复杂的相互作用，来自美国多个研究机构（Ragon Institute of MGH, MIT, and Harvard、Broad Institute of MIT and Harvard 等）的研究人员开展了一项重要研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。该研究旨在构建一个多组学空间框架，用于剖析肠道组织微环境中的宿主 - 微生物组关系，为理解肠道疾病的发病机制和治疗提供新的思路。
研究人员运用了多种关键技术方法。首先，构建了针对肠道微生物群 16S rRNA 序列的综合序列池，并进行分类学分配，为后续设计探针提供基础。接着，设计并验证了细菌寡核苷酸探针，这些探针能特异性地靶向不同细菌类群。同时，采用了多种空间组学技术，如 Multiplexed Ion Beam Imaging（MIBI，可实现多种蛋白和细菌成分的空间成像）、Nanostring GeoMx Digital Spatial Profiling（GeoMx DSP，用于空间转录组分析）和 Matrix - Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry Imaging（MALDI - MSI，检测 N - 聚糖水平），对小鼠肠道组织进行多模态分析。实验样本来自诱导结肠炎的小鼠模型，以及健康对照小鼠。
整体研究设计
研究人员通过给小鼠饮用含 3.5% 右旋糖酐硫酸钠（DSS）的水诱导结肠炎，设置 4 只结肠炎小鼠和 4 只健康对照小鼠。收集小鼠肠道组织后，对其进行多种空间组学技术检测，包括 MicroCart - MIBI 成像、MicroCart - GeoMx 空间转录组学分析和 MALDI - MSI 检测，从不同层面探究宿主 - 微生物相互作用。
细菌寡核苷酸探针的设计与验证
传统的 16S 原位杂交（ISH）探针在靶向特定细菌类群时可能存在准确性问题。研究人员构建了包含 12,936 条近全长 16S rRNA 序列的肠道微生物序列池，利用 ARB 软件识别符合覆盖度和特异性要求的候选序列，再经过多重筛选，如考虑熔解温度、杂交效率和预测二级结构等，最终确定探针。对于不同系统发育水平的细菌类群，采用不同策略，如针对物种水平使用单寡核苷酸探针，针对门水平则采用组合探针集策略。此外，还开发了高效的细菌探针验证流程，通过培养多种肠道微生物菌株，制备固定和包埋的细菌微阵列（BMA），用于探针验证。结果成功设计并验证了针对不同系统发育水平细菌类群的探针，如针对 Firmicutes 和 Bacteroidetes 门以及多种益生菌物种的探针，且这些探针特异性良好。
MicroCart - MIBI 对微生物组和宿主细胞的多重成像
研究人员将 MicroCart 设计的探针应用于 MIBI - TOF 成像平台，通过靶向与 16S 靶向寡核苷酸共价结合的半抗原的标记抗体，实现信号放大。同时，优化了组织固定方法，采用 Methacarn 和 Formalin 固定、石蜡包埋（MFPE）的方法，既能保存黏膜层和细菌成分，又能保存蛋白质抗原表位。对小鼠肠道组织进行 MIBI 成像后发现，结肠炎期间肠道细胞组成发生显著变化，如浆细胞数量减少，免疫细胞增多；还观察到宿主和细菌细胞的局部混合增加，细菌群落的香农熵降低，表明 MicroCart 结合 MIBI 可用于多模态剖析宿主 - 微生物重塑和空间重组。
MicroCart - DSP 对宿主和微生物组的空间分辨测序
利用 MicroCart - DSP 定制探针在 MFPE - BMA 切片上进行空间转录组学分析，验证了细菌探针的特异性。通过整合小鼠全转录组图谱探针集和 MicroCart - DSP 定制探针，对健康和结肠炎小鼠肠道进行测序分析，发现结肠炎期间小肠和大肠中宿主 - 病原体反应相关基因表达发生变化，如小肠中 Reg3 家族基因、Duox2 和 Duoxa2 等基因表达增加，大肠中髓系细胞标记物 Ly6c1 表达增加，浆细胞相关基因表达减少等。此外，还进行了区域特异性转录组分析，揭示了不同区域在结肠炎期间的免疫反应和代谢变化。
MALDI - MSI 检测结肠炎期间肠道的整体糖基化变化
鉴于免疫反应和组织重塑与糖基化过程相关，研究人员利用 timsTOF fleX MALDI - 2 N - 聚糖成像技术对小鼠肠道组织切片进行分析。发现结肠炎期间，大小肠组织的 N - 聚糖组成发生显著变化，如大肠中部分低分支 N - 聚糖增加，小肠中部分高分支 N - 聚糖减少。通过像素级聚类分析，还确定了 20 个空间上不同的糖基化群体，进一步揭示了结肠炎期间肠道糖基化的变化特征。
结肠炎中巨噬细胞的多组学空间分析
从 MicroCart - MIBI 和 - DSP 相邻切片观察到结肠炎期间大肠中单核细胞和巨噬细胞浸润增加。研究人员聚焦于巨噬细胞和单核细胞浸润高的组织区域，进行多组学空间分析。发现这些细胞在黏膜固有层 / 黏膜下层周围占据空间分层的生态位，并与肠道肌层中增加的 α - 平滑肌肌动蛋白（αSMA）共定位。通过距离分析和基因表达分析，证实了巨噬细胞和单核细胞向肠平滑肌细胞的浸润增加，并发现相关基因表达变化，如平滑肌增殖、迁移和巨噬细胞、单核细胞趋化相关基因签名增加。此外，还通过基因集富集分析（GSEA）确定了巨噬细胞和单核细胞浸润区域的免疫细胞途径和状态变化，以及通过相关性分析揭示了免疫 - 上皮相互作用的基因程序变化。
结肠炎系统水平分析的空间三模态整合
将 MIBI、DSP 和 MALDI - MSI 三种模态的数据进行手动对齐和综合分析。发现不同代谢途径与 N - 聚糖表达之间存在相关性，如与果糖、肌苷和 NAD 相关的代谢途径与 N - 聚糖表达有关；还发现细胞类型频率与 N - 聚糖表达以及微生物组空间指标之间的相关性，如杯状细胞频率与细菌局部黏液比的正相关关系等。通过构建相关网络，确定了与结肠炎状态相关的关键特征，如细菌信号、不同细胞类型的转录组特征和特定 N - 聚糖等。利用堆叠集成机器学习模型预测结肠炎状态，发现多组学集成学习模型的性能优于单模态分类器，并确定了对模型预测能力贡献较大的关键特征，如微生物特征、E - Cad 隔室中的基因表达和某些细胞类型的频率等。
研究人员通过构建 Microbiome Cartography（MicroCart）框架，实现了对肠道组织微环境中宿主 - 微生物组相互作用的多组学空间分析。该研究揭示了结肠炎期间肠道组织在细胞组成、转录组、糖基化等方面的变化，以及宿主 - 微生物相互作用的新模式，为理解肠道疾病的发病机制提供了重要依据。同时，确定的关键特征和建立的预测模型，为未来肠道疾病的诊断和治疗提供了潜在的生物标志物和新的靶点。然而，该研究也存在一些局限性，如数据层的手动对齐可能引入误差、研究局限于小鼠数据、细菌靶向面板较小等。但总体而言，MicroCart 为后续研究复杂的细胞 - 细胞和细胞 - 微生物相互作用奠定了坚实基础，有望推动肠道疾病研究领域的进一步发展。
