最近，当英国剑桥韦尔科姆桑格研究所（Wellcome Sanger Institute）的研究人员宣布他们创建了迄今为止最详细的人类胃肠道（GI）细胞图谱时，引起了一阵兴奋。这项研究使用了来自271名捐赠者的160万个细胞的空间和单细胞数据，发表在《自然》杂志上，提供了关于肠道健康和疾病状态的宝贵信息。
“我们现在对可以在肠道中找到的细胞类型有了很好的了解，”共同作者Rasa Elmentaite博士说，她是Ensocell的联合创始人兼基因组学和数据科学负责人。
一个不小的问题是：如何精确绘制人类肠道？
《肠道细胞图谱》（Gut Cell Atlas）是更大规模的《人类细胞图谱》（Human Cell Atlas）项目的一部分，该项目于2024年11月在《自然》杂志上发表了超过40项研究。其背后的故事是全球合作和跨大陆的科学精确性的体现。
Elmentaite表示，这将科学家们引向了他们未曾预料的道路。
项目的起点
Elmentaite提到，在过去的5到7年里，各个研究机构发表了大量关于肠道细胞的研究成果，这些研究涵盖了从口腔、喉咙、食道、胃、小肠、大肠、直肠到肛门的整个消化系统。
研究肠道细胞的实验室通常专注于特定区域，例如，如果他们在研究克罗恩病，可能会集中在小肠或大肠。“这是有道理的，因为消化系统非常区域化，”她说。
2019年和2021年，Elmentaite及其同事发表了关于人类肠道某些细胞的地图，这些工作引起了全球其他科学家的关注。因此，他们决定接受挑战，创建一个更全面的健康肠道和疾病状态下的肠道细胞地图。
“我们意识到有很多其他实验室也对全面理解肠道感兴趣，”她说，“我们认为，从整个消化系统的角度来研究细胞会非常有趣。”
疫情中的‘居家项目’
疫情期间，当其他人在玩发酵面团时，Elmentaite的实验室决定将他们的数据集与其他实验室的数据集合并，看看会发生什么。当时他们有20多个数据集，并希望生成更多数据以填补信息不足的空白（例如，关于胃细胞的数据）。
“这需要从外科医生那里获取样本，进入实验室处理这些样本成为单细胞，然后进行生物信息学处理，”Elmentaite说。
她解释说，生成更多的数据集不是一个人的工作，“需要说服很多科学家认为这是值得的，”包括癌症生物学家和黏膜免疫学家。他们还引入了更多的技术生物信息学专业知识，并招募了一个IT团队——专门负责处理和清理数据，“使其在研究中非常具体且统一处理，”Elmentaite说。
最终，通过来自澳大利亚、德国、挪威、西班牙和英国多地的许多Zoom会议，研究人员整合了25个单细胞RNA测序数据集，涵盖了发育和成人的整个健康消化系统，形成了一个包含约110万个细胞和136个细胞亚群的健康肠道参考图谱。
如何构建肠道的二维（2D）地图
接下来是更复杂的部分：原始测序读数——研究人员从个别生物样本中测序的不同RNA片段——需要映射回基因，以便研究人员了解样本中表达的是哪些基因。
“这里有很多需要整理的地方，因为转录组（单个细胞或组织中的所有RNA分子的完整集合）和基因组的版本不断进化。因此，我们需要将其映射回相同的转录组参考，”Elmentaite说。
一旦知道了细胞中所有不同的活跃基因，研究人员就可以利用生物信息学将所有数据集整合在一起，并在二维空间中可视化——基本上是一个地图的表示。
“转录上更相似的细胞会聚在一起，而转录上更不同的细胞则会相距更远，”Elmentaite说。
几十年来，消化系统研究人员分别研究了上皮细胞、T细胞和B细胞中哪些类型的基因被激活，“突然间，你可以在屏幕上看到所有这些信息。这真是令人惊叹，”她说。
细节的挑战
在解释数据的过程中，最大的挑战之一是确保没有技术差异，Elmentaite说。
例如，不同实验室处理的样本可能在测序上存在差异。或者，用于处理组织的酶在不同实验室之间可能有所不同。有时他们甚至记录下样本采集的具体时间，如果这些信息可用的话。
“从计算的角度来看，我们考虑了所有这些变量，并尽可能回归这些差异。然后，如果我们看到的聚类与已知的一些细胞类型的基因表达一致，我们就知道已经回归了所有的批次效应，”Elmentaite说。
‘尤里卡’之前的几个‘啊哈’时刻
有许多“啊哈”时刻，也有一些令人困惑的时刻，她说。其中一个最大的惊喜是发现被认为在发育过程中固定不变的细胞身份，如果一个人有大量炎症和刺激，如在炎症性肠病中，实际上可以改变。上皮细胞化生是其中一个惊喜。
“化生描述了一种分化细胞类型转变为另一种分化细胞类型的过程。我们知道这在一些上消化道疾病中存在，但没有意识到同样的机制在小肠中也存在，”Elmentaite说。
上皮细胞是人体中最丰富的细胞之一。研究人员从既定研究中知道，这些细胞像急救员一样提供肠道愈合。“我们可以看到它们产生了大量有助于冲走引发炎症的微生物的黏液。但对我们来说，‘啊哈’时刻是发现这些细胞实际上具有双重功能，”她说。
他们从转录谱中可以看到，这些细胞显著产生了趋化因子（参与身体免疫反应的一组蛋白质）和主要组织相容性复合体II类分子（参与身体免疫反应的细胞表面蛋白），上皮细胞似乎吸引了中性粒细胞和单核细胞，并与某些T细胞相互作用——从而加剧了慢性炎症的循环。
“我认为对很多人来说，这是一个惊喜，因为我们通常认为上皮细胞更像是一个屏障，在炎症性肠病中只是被动的参与者，”Elmentaite说。
除了报告上皮细胞化生的发现外，研究人员还处理了12个消化系统疾病的数据库，包括乳糜泻、克罗恩病、消化系统相关癌症和溃疡性结肠炎。
为人民（好吧，科学界）的《肠道细胞图谱》
“《肠道细胞图谱》对每个人都是可用的，每个人都有机会贡献，”Elmentaite说。但她也指出，160万个细胞只是一个开始，还需要更多的数据，更广泛的《人类细胞图谱》项目正在牵头收集这些数据。此外，还有努力使所有研究人员使用相同的细胞注释，制定全研究范围的标准，使图谱真正对每个人有用。
Keith Summa博士，芝加哥西北大学芬伯格医学院胃肠病学和肝病学分部的医学助理教授，主要研究炎症性肠病以及肠道-大脑互动障碍。他进行基础和转化研究，使用实验模型研究肠道炎症。
在西北大学，他们有一个组织生物库。它包括来自健康个体以及患有不同疾病状态的个体的结肠和肠道组织样本。“一个潜在的有用工具是，我们可以利用《肠道细胞图谱》分析我们的组织样本，看看图谱中描述的内容与我们的观察结果是否有共通之处，”Summa说，他并未参与英国的这一项目。
他表示，西北大学的生物库有关于患者服用的药物以及疾病程度和严重性的详细信息。
“我们可能可以利用《肠道细胞图谱》帮助我们查看特定因素，例如人们如何对不同治疗作出反应，不同细胞类型如何受不同治疗的影响，或它们在不同严重程度的疾病中是否活跃。这可能有助于我们更精确地理解这些不同条件，”Summa说。
他还指出，胃肠病专家将“克罗恩病”作为一个单一诊断，“但这涵盖了一系列的表型和行为，”他说。“我认为在如此具体的细胞水平上进行研究，可以帮助更好地识别一些活跃的途径以及这种疾病的不同的表型或行为。”
下一步：在三维（3D）空间中可视化
Elmentaite及其同事的下一步是将2D地图发展为3D地图，以便可视化细胞的位置及其在空间中的组织方式。
“下一步非常令人兴奋，那就是理解这些细胞是如何相互依赖的，”她说。“真正功能性地理解其中一些细胞是否是必需的，而另一些则不是。并且利用AI建模来理解我们从生成的大量数据中学到了什么。当然，这也包括如何利用这些知识创建精准疗法。”
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