科学家们用单细胞分辨率绘制了整个人类肠道
如果你紧张，你可能会从你的内脏里感觉到。如果你吃辣椒，你的肠道可能会反抗，但你的朋友可以吃任何东西，感觉很好。你可以像吃糖果一样服用布洛芬，但你朋友的肚子可能会出血，而且可能不会减轻疼痛。这是为什么呢?最简单的答案是，因为我们都是不同的。接下来的问题是如何完全不同，这些不同对健康和疾病意味着什么?要回答这些问题要困难得多，但北卡罗来纳大学医学院斯科特·马格尼斯博士的实验室给出了一些有趣的科学答案。
这是马格尼斯实验室第一次使用来自三个器官捐献者的整个人类胃肠道，来展示肠道所有区域的细胞类型是如何不同的，从而阐明这一点细胞功能，并显示这些细胞之间和个体之间的基因表达差异。
这项工作，发表在细胞与分子胃肠病学与肝病学，为探索肠道健康的多个方面打开了大门，以一种比以往任何时候都更精确的方式和更高的分辨率。
“我们的实验室表明，了解每种细胞类型在重要过程中的功能是可能的，比如营养吸收、抵御寄生虫、粘液和调节进食行为和肠道运动的激素的产生，”麦格尼斯说，他是北卡北卡联合州立生物医学工程学院的副教授，也是该论文的高级作者。“我们还了解了肠道内膜如何通过受体和传感器与环境相互作用，以及药物如何与不同类型的细胞相互作用。”
敏感的直觉
想想一个典型的制药商业画外音，当配音演员愉快地背诵可能的副作用时，如腹泻、呕吐、肠出血和其他令人不快的附带损害。马格内斯实验室正试图了解这些副作用发生的原因，深入到单个细胞的层面，它们的功能，它们的位置，以及它们的基因。
在这项研究中，马格内斯实验室将重点放在了上皮细胞上:这是一种将肠道和结肠内部与其他所有东西分隔开的单细胞厚层。像其他细胞群微生物群，也就是上皮细胞对人类健康非常重要，多年来科学家们一直在探索它。但到目前为止，研究人员只能从消化道的少数部分(通常是结肠或小肠的有限区域)提取米粒大小的微小活组织切片。
马格内斯说:“这样的探索就像从太空中观察美国，但只调查马萨诸塞州、俄克拉荷马州和加利福尼亚州发生的事情。””真的了解这个国家，我们想看看所有的东西。”
Magness依赖于共同第一作者，博士后Joseph Burclaff博士和研究生Jarrett Bliton，他们都是Magness实验室的实习生。
Burclaff说:“我们不仅想要确定细胞的位置，还想确切地知道哪些细胞类型做什么以及为什么。”“所以，保持地图的类比，我们不想只是说，‘哦，那是北卡罗来纳州’。我们想知道哪里有最好的烤肉。我们希望从地面的视角了解尽可能多的信息。”
在过去，研究人员将这些大米大小的活组织切片捣碎，以识别所有的上皮细胞类型，并了解这些细胞的一些一般特征。马格内斯的方法是从下消化道(小肠和结肠)的每个部分提取数以千计的单个细胞样本，创建一个图谱，然后通过每个细胞表达的基因研究这些细胞的潜在作用。了解这一切将加深对肠道上皮细胞的科学认识，并有望鼓励其他科学家探索每个细胞在生物学、疾病和药物副作用的不幸情况下的功能。
要对单个细胞进行如此深入的研究，马格内斯需要两样东西:更好的技术和人类的整个消化道。
数据的生物学
北卡罗来纳大学教堂山分校几年前获得了最先进的RNA测序技术，通过北卡罗来纳大学胃肠疾病和生物学中心创建了高级分析核心设施，该中心开发了科学和智力的力量，包括研究人员、工作人员、博士后和学生，以使用最先进的设备。
magnness集团通过与HonorBridge器官捐赠服务公司的研究协议获得了人类消化道。当肠道被收获用于移植时，如果它们没有被更优先的群体认领，荣誉桥的工作人员会与麦格尼斯集团协调，捐赠移植级器官用于研究。
在收获6到8小时后，马格尼斯实验室收到了完整的肠道，每个约15到30英尺长。他们去除上皮层，这是一个长连接的组织，尽管只有一个细胞厚。然后，研究人员使用酶将上皮细胞分解成单个细胞。在这项研究中，他们对来自三个不同捐赠者的器官进行了重复实验。
使用测序技术来表征基因表达，Magness小组首先从每个细胞中提取RNA，同时保持每个细胞分离，然后他们进行单细胞测序，这可以快速捕捉每个肠细胞表达的基因和表达量。
马格内斯说:“我们从每个细胞得到的图像是细胞制造的所有不同类型基因的马赛克，这种基因补体创造了一个‘特征’，告诉我们它是什么类型的细胞，以及它可能在做什么。”“它是干细胞、黏液细胞、激素产生细胞还是免疫信号细胞?
Burclaff补充说:“我们能够在整个消化道中看到细胞类型的差异，我们可以在三个不同的人的相同细胞类型中看到不同的基因表达水平。我们可以看到不同的基因组在单个细胞中被打开或关闭。这就是为什么，例如，我们可以开始理解为什么有些人对某些食物或药物产生毒性，而有些人不会。”
这类研究的一个主要问题是产生的数据量太大。单细胞测序可以检测到大约11000个“reads”，即一个细胞或数千个细胞中基因产物的单个样本单个细胞每个基因都有2万多个被打开或关闭的人类基因的不同组合。这为研究中12590个细胞创建了近1.4亿个数据点，这些数据必须以可视化的格式保存，以便科学家能够理解大量的信息。
“人类的大脑只能理解二维空间，三维空间具有挑战性，”马格内斯说。“加上时间，理解单个细胞的功能就更加困难了。我们的实验一次产生的数据量基本上是数百万个维度。”
Bliton设计了计算技术来过滤数据，以产生一个可管理的数据集，其中包括来自胃肠道所有部分的细胞群。然后，基于Magness和其他研究人员对每种细胞类型的了解，Bliton可以计算出每个区域的每种细胞类型。然后，他用人类能够理解和解释的方式绘制了这些数据。
对海量数据的控制让科学家们对每种细胞类型有了更多的了解。以簇状细胞为例，它在40年前被发现，之所以得名，是因为它们看起来好像表面有簇状毛发。事实证明，这些簇状细胞表达的基因与舌头上味蕾上的细胞相似。其他研究人员发现，这些簇状细胞感知到蠕虫感染，并向免疫系统发送信号，开始发动战争。马格内斯实验室显示，簇状细胞显示出一组基因，被认为对感知和“品尝”其他种类的肠道内容物很重要，因此在需要时，它可以向免疫系统发出信号。这代表了比感知你的肠道中是否有寄生虫更广泛的功能。
Burclaff说:“我们不仅描述了每一种细胞类型和它们各自表达的每一个基因，而且还研究了潜在的功能。”“如果你观察肠道黏液，它是一种复杂的保护细胞的混合物，我们可以显示哪些细胞表达各种黏液蛋白，表达多少，以及在消化道的哪些区域。我们观察了消化食物的特定酶的表达部位。我们观察了带有抗炎基因表达和突触基因的细胞，肠道可能与神经相连，所以它可以与身体的其他部分通话。我们研究了水通道蛋白，这是一种参与通过肠膜转移水分的蛋白质。”
马格内斯研究小组发现，潜在功能的变化达到了一个全新的水平，这是以前没有通过捣碎活组织切片样本得到的。
研究人员探索了所有的上皮受体——用于与其他细胞和分子以及肠道环境进行交流的细胞表面蛋白质。Magness和他的同事们可以看到哪种受体在哪种细胞中表达最多，描绘出一幅细胞如何与肠道内容物(如营养物质、微生物、毒素和药物)相互作用的新图景。
布莱顿说:“据我们所知，我们是第一个在三个完整捐献者的整个人体肠道中进行这种分析的人。”“我们可以观察每一种细胞类型，并预测哪种药物可能单独影响哪种细胞类型。”
例如，有一类药物可以治疗炎症性肠病;它们被设计用来攻击特定的目标，某些引发炎症的免疫细胞。但马格内斯实验室了解到，一些上皮细胞表达的基因与免疫细胞中的基因相同，而免疫细胞是靶细胞。这一发现表明，在上皮细胞中可能存在非预期的“脱靶”效应，并可能导致副作用。
“这是不知道的，”伯克拉夫说。“很多药物都有不良的胃肠道副作用。这可能是因为药物影响了个体细胞沿着整个胃肠道的长度我们展示了这些受体在哪里和在哪里表达最多细胞类型．"
这种知识只是马格内斯实验室最初研究的一个结果。
马格内斯说:“我们希望科学、医学和制药界使用我们的发现。”“我们采用了一种分析方法，有条不紊地处理每一种细胞类型，为大多数科学家制作了易于阅读和访问的电子表格，并展示了几个例子，说明我们可以用这种高分辨率、精确的方法发现什么。”
除了上述的研究人员，其他作者还有Keith Breau, Meryem Ok, Ismael Gomez-Martinez, Jolene Ranek, Aadra Bhatt, Jeremy Purvis和John Woosley，他们都来自北卡罗来纳大学教堂山分校。
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