空间宿主-微生物组分析揭示儿童回肠克罗恩病中细菌相关的宿主转录改变

本研究针对克罗恩病(CD)中宿主-微生物互作机制不清的问题，开发了创新的空间宿主-微生物组测序技术，首次实现了组织内细菌物种鉴定与宿主转录组的同步分析。通过对14例儿童回肠样本的研究，发现细菌浸润程度与疾病预后相关，鉴定出16种有益菌和9种致病菌，揭示了免疫细胞对细菌的转录响应更一致，为CD的精准诊疗提供了新视角。论文发表于《Microbiome》。

　　

在探索克罗恩病(CD)发病机制的道路上，科学家们逐渐认识到肠道微生物与宿主免疫系统的复杂对话是关键所在。这种慢性炎症性肠病困扰着全球数百万人，尤其在儿童患者中表现更为凶险。传统研究如同"盲人摸象"，要么通过宏基因组测序观察微生物组成变化，要么通过单细胞测序分析宿主细胞状态，却始终难以捕捉两者在组织微环境中的空间互作关系。更棘手的是，现有技术对细菌RNA的捕获效率低下，且无法实现物种级分辨，使得许多关键科学问题悬而未决：细菌如何穿透肠屏障？不同细胞类型如何响应特定菌种？哪些微生物真正参与疾病进程？

为破解这些难题，Sooyoung Jang领衔的研究团队在《Microbiome》发表突破性成果。研究者创新性地将酵母poly(A)聚合酶介导的原位多聚腺苷酸化与空间转录组技术结合，开发出能同时解析宿主转录组和细菌组成的高分辨率空间宿主-微生物组分析平台。这项研究纳入6名回肠型CD患儿和2名对照的14份末端回肠组织样本，通过整合空间测序、宏基因组测序和生物信息学分析，对13,876个细胞进行多维度解析。关键技术包括：1）空间总RNA测序结合原位poly(A)尾添加；2）基于Kraken2的物种级微生物组分析；3）Cell2location空间细胞类型定位；4）相对风险(RR)模型评估细菌对细胞活性的影响。

【空间微生物组分析揭示CD中细菌定位特征】

研究团队首先验证了新方法的可靠性，通过Gram染色验证了细菌空间分布的准确性。分析显示CD组织细菌载量显著高于对照（非炎症CD组织0.409±0.028 CPM，炎症CD组织0.892±0.115 CPM，对照仅0.011±0.002 CPM）。特别值得注意的是，M细胞富集区域细菌载量高达8.660±2.516 CPM，印证了这类特殊上皮细胞在细菌采样中的门户作用。通过Cell2location算法，研究者成功绘制出免疫细胞、肠上皮细胞等不同区域中微生物的分布图谱，发现炎症CD组织中免疫细胞富集区域明显增多。

【细菌丰度预测疾病预后】

临床关联分析揭示惊人发现：诊断时的细菌载量与疾病预后显著相关。复发CD患者的细菌载量最高，且载量与复发时间呈负相关。同时，细菌载量与Rutgeerts评分（评估回肠内镜严重程度）正相关，提示细菌浸润程度可作为预测CD进展的生物标志物。这为临床早期干预提供了重要依据。

【细菌存在激活宿主免疫应答】

差异基因表达分析显示，细菌暴露诱导免疫相关基因的广泛上调，特别是编码免疫球蛋白的基因（如IGHG4、IGKC、IGHA1等）。功能富集分析揭示这些基因主要参与B细胞受体信号通路、白细胞介素信号传导等免疫防御机制。有趣的是，免疫细胞区域的转录响应比肠上皮细胞区域更一致，凸显免疫细胞在抗菌防御中的核心作用。此外，长链非编码RNA LINC02739等分子的上调提示非编码RNA可能参与宿主-微生物互作调控。

【细菌种类差异影响细胞活性】

通过计算相对风险(RR)，研究鉴定出16种保护性菌种（如Faecalibacterium prausnitzii RR=0.54）和9种致病菌种（如Cutibacterium acnes RR=1.50）。种群归因风险百分比(PARP)分析显示，高丰度有益菌F. prausnitzii对维持肠屏障完整性贡献最大。值得注意的是，不同细胞类型对细菌的反应迥异：所有菌种在肠上皮细胞区域都表现出损害效应，而在免疫细胞和Tuft细胞区域，部分菌种反而显示保护作用。对大肠杆菌的菌株级分析更进一步揭示致病性差异，如APEC O1株(RR=1.66)致病性强，而某些未命名株则呈现中性。

【有益与致病微生物组差异调控宿主转录】

对比144对有益-致病菌组合的转录谱发现，有益菌显著上调REG1A（参与上皮修复）和TNFRSF6B（抑制细胞凋亡）等保护性基因。主成分分析(PC2)能清晰区分有益菌与致病菌的转录调控模式，这些发现为理解微生物影响CD的分子机制提供了新视角。

这项研究通过创新的空间多组学技术，首次在物种分辨率上揭示了CD组织中宿主-微生物的空间互作图谱。不仅证实细菌浸润程度是CD预后的潜在预测指标，还鉴定出多个具有临床转化价值的有益菌和致病菌。特别值得注意的是，研究发现免疫细胞对细菌的转录响应更为一致，而不同细胞类型对相同菌种的反应存在显著差异，这些发现深化了对CD异质性的理解。从技术层面看，该研究突破性地解决了细菌RNA捕获和物种鉴定的难题，为研究其他微生物组相关疾病提供了通用工具。未来，这些发现可能指导个性化菌群干预策略的开发，如针对高风险患者补充特定有益菌株，或靶向清除致病菌种。随着空间组学技术的进步和样本量的扩大，这套方法有望在炎症性肠病、肠道肿瘤等领域发挥更大价值。