近日，西安交通大学研究团队在微生物领域顶级期刊《Gut Microbes》发表题为“Spatially resolved single-cell transcriptome analysis of murineSalmonellainfection reveals the role of distal colonocytes in the inflammatory response” 的重磅研究。
该研究首次整合太阳集团tyc138百创 S1000 空间转录组、bulk RNA-seq与单细胞转录组技术，绘制了沙门氏菌感染过程中小鼠结肠的时空单细胞转录组图谱，首次证实远端结肠细胞（DCCs）是感染早期宿主免疫应答的核心启动者，并揭示了其高敏感性的分子基础，同时在非感染性结肠炎模型与人类肠道样本中验证了该机制的保守性，为肠道感染与炎症性肠病的防治提供了全新靶点。太阳集团tyc138为该研究提供了百创空间转录组BMKMANU S1000测序服务！
研究背景
肠道感染是全球重大公共卫生负担，每年造成 170-250 万人死亡，其中鼠伤寒沙门氏菌（S. Tm）是引发细菌性肠炎的最常见病原体之一，被 WHO 列为最高优先级的耐药致病菌。
肠道虽为连续管状结构，但存在显著的功能分区，不同区段对病原体的易感性和免疫应答存在巨大差异；临床观察显示沙门氏菌感染的最严重病理改变集中在远端结肠，但其背后的细胞与分子机制长期未被阐明。传统转录组技术无法保留组织空间信息，单细胞测序则丢失了细胞的原位分布，难以解析肠道区域化应答的细胞基础，成为制约肠道感染机制研究的核心瓶颈。
研究结果
构建沙门氏菌结肠炎的多组学时空调研体系
为完整还原沙门氏菌感染的动态过程，研究团队构建了经氨苄西林预处理的 BALB/c 小鼠结肠炎模型，通过灌胃 10^9 CFU 的 S. Tm 菌株，覆盖感染前（第 0 天）、感染早期（第 1 天）、全身感染期（第 3 天）、感染进展期（第 5 天）和终末期（第 7 天）的完整时间序列，全面模拟临床急性肠炎的发生发展过程（图 1a）。
研究首先通过多维度验证确认了模型的可靠性：
- 病理检测显示，感染后结肠出现显著缩短、中性粒细胞浸润与上皮损伤，且盲肠与结肠为主要受累区段；
- 细菌载量检测证实，感染第 1 天远端结肠的侵袭细菌数量就仅次于盲肠，显著高于解剖位置更靠近盲肠的近端结肠（图 1g）；
- bulk RNA-seq 结果显示，IL-1β、IL-6、Tnf 等炎症基因从第 3 天起显著上调，“沙门氏菌感染” 通路在感染后持续富集，与疾病进展高度吻合（图 1b）。
在此基础上，研究团队整合单细胞转录组与百创 S1000 空间转录组技术，对不同时间点的结肠组织进行系统解析：
- 单细胞转录组共捕获 39706 个细胞，鉴定出上皮细胞、免疫细胞、成纤维细胞三大类共 14 种细胞亚型，其中中性粒细胞比例随感染进程持续升高，符合急性细菌感染的特征（图 1c-d）；
- 百创 S1000 空间转录组共获得 3406278个单细胞分辨率的空间数据点，随后被分割为341187个细胞，每个细胞338个基因，完整保留了结肠组织的天然结构与基因表达的空间分布。空间层面的通路分析显示，“沙门氏菌感染”特征基因在感染第1天就集中分布于远端结肠，随感染进展逐渐向近端结肠扩散（图 1e）；定量分析证实，感染第 1、3 天远端结肠的感染特征基因表达水平显著高于中、近端结肠（图 1f），与细菌载量的分布完全一致。
百创S1000空间转录组技术核心贡献：首次在原位直观呈现了宿主免疫应答从远端结肠启动、向近端扩散的时空动态，突破了传统测序无法区分肠道区段异质性的局限，为后续定位核心应答细胞提供了精准的空间坐标。
图1
单细胞层面鉴定高应答性结肠细胞亚群
为找到驱动早期免疫应答的关键细胞类群，研究团队将 “沙门氏菌感染” 基因集映射到单细胞转录组数据中，发现分化成熟的结肠细胞亚群 CC_1 在感染后最早出现显著的基因表达上调，且应答强度持续最高（图 2a）。通过 Augur 细胞扰动优先级分析证实，CC_1 是感染第 1、3 天受感染影响最大、应答最强烈的细胞类群（图 2b）；细胞通讯分析也显示，该亚群与巨噬细胞、T 细胞、B 细胞的相互作用强度在感染后显著提升，是启动免疫应答的核心枢纽（图 2c-d）。
图2
百创S1000空间转录组完成细胞空间注释，精准定义DCCs
为进一步明确该细胞亚群的身份与空间定位，研究团队对上皮细胞进行精细再分群，并结合 RNA 速率分析上皮分化轨迹，同时借助百创S1000空间转录组的空间位置信息进行注释，最终将 CC_1 亚群鉴定为远端结肠细胞（Distal Colonocytes, DCCs），并区分出近端结肠细胞（PCCs）、中端结肠细胞（Mid_CCs）及其对应的前体细胞类群（图 2e-g）。
研究还发现，传统认为仅表达于中性粒细胞的 Ly6g，是小鼠 DCCs 的特异性标志物：单细胞数据显示 Ly6g 在 DCCs 中平均表达水平甚至高于中性粒细胞（图 2i），免疫荧光染色也证实，未感染状态下远端结肠上皮层就高表达 LY6G 蛋白，而近端结肠无表达（图 2h）。感染后，S. Tm 细菌与 LY6G 阳性的 DCCs 存在明显共定位，证实沙门氏菌优先与远端结肠细胞发生相互作用（图 2k）。功能评分进一步验证，感染第 1 天 DCCs 的沙门氏菌感染特征基因评分显著高于所有其他上皮细胞亚群（图 2j）。
百创S1000空间转录组技术核心贡献：通过空间转录组与单细胞数据的联合分析，完成了 DCCs 的精准空间注释，解决了单纯单细胞测序无法区分结肠不同区段结肠细胞的技术难题，首次明确了远端结肠细胞的分子特征与原位分布。
解析DCCs高应答性的内在分子机制
为什么远端结肠细胞对病原体更敏感？研究团队通过对未感染小鼠的上皮细胞亚群进行差异分析，发现 DCCs 本身就具备独特的免疫特性：
- 功能富集显示，与其他结肠细胞亚群相比，DCCs 天然富集 “天然免疫应答激活”“细菌防御反应” 等免疫相关功能（图 3a）；
- DCCs 高表达 Zbp1（天然免疫关键启动因子）、Lbp（脂多糖结合蛋白）、Gbp2（干扰素诱导的抗菌蛋白）等免疫感知分子，且太阳集团tyc138空间转录组数据原位验证了这些基因在远端结肠的特异性高表达，感染后进一步上调（图 3b-c）。
感染后，DCCs 的应答呈现清晰的时间动态：
- 感染第 1 天，DCCs 快速启动急性天然免疫应答，包括干扰素应答、补体激活、B 细胞活化等，同时肠道屏障完整性被破坏，ZO-1 连续性中断（图 3e）；
- 感染第 3-5 天，应答转向趋化因子招募与细胞因子介导的炎症反应，Nod 样受体、胞质 DNA 感知、Rig-1 样受体等关键病原体识别通路显著激活；
- 焦亡通路关键基因 Nlrp6、Casp1、Il1b、Gsdmd 在 DCCs 中随感染持续上调（图 3g），炎症因子 IL-18 也主要由 DCCs 分泌，且感染前本底表达就高于其他结肠细胞（图 3h），是启动下游炎症级联反应的关键信号。
同时，感染过程中 DCCs 的分化速率显著加快，细胞比例随感染进程升高，体现了上皮细胞的代偿性修复与抗感染机制。
图3
空间层面验证：远端结肠是宿主炎症应答的起始位点
为在组织原位完整验证远端结肠的炎症启动作用，研究团队将单细胞的细胞注释结果映射到百创 S1000 空间转录组数据中，在空间层面系统解析了感染应答的区域化特征（图 4a）。空间层面的评分证实，所有上皮细胞亚群中，DCCs 及其前体细胞的沙门氏菌感染特征基因表达水平最高（图 4b），与单细胞结论完全一致。
进一步对关键炎症通路与基因的空间分布分析显示：
- 抗原加工呈递、IL-17 信号等核心免疫通路，在感染第 1 天就显著富集于远端结肠，且表达范围从黏膜相关淋巴组织扩展到整个上皮层（图 4c-d）；
- 炎症活动度核心标志物 S100a8、中性粒细胞趋化因子 Cxcl5、组织修复相关基因 Lrg1 等关键分子，均优先在远端结肠上调（图 4e、g、i）；
- 空间共定位显示，中性粒细胞的分布与 Cxcl5 的表达位置高度重合，且感染早期集中在远端结肠，证实中性粒细胞招募主要发生在远端区域（图 4h）。
对差异基因的空间分布统计显示，感染第 1 天的 Top50 差异基因中，超过 80% 优先在远端结肠表达；随感染进展，差异基因逐渐向近端结肠扩散，呈现清晰的 “远端启动、近端扩散” 的宿主应答时空模式（图 4j）。
百创S1000空间转录组技术核心贡献：以单细胞分辨率的空间表达谱，完整还原了炎症通路、关键效应分子在结肠不同区段的分布与动态变化，为 “远端结肠启动免疫应答” 提供了最直接、最直观的原位证据，构建了从分子到细胞再到组织的完整证据链。
图4
非感染性结肠炎模型验证远端结肠的固有高敏感性
为确认远端结肠的高应答性不是沙门氏菌感染特有，而是肠道的固有特性，研究团队构建了 DSS 诱导的溃疡性结肠炎小鼠模型。结果显示，DSS 诱导的结肠炎同样先从远端结肠发病，逐渐向近端扩散；感染第 7 天远端结肠的病理评分显著高于近端区段（图 5a-b），核心促炎因子 IL-1β 也主要分布在远端结肠的黏膜与黏膜下层（图 5c-d）。这一结果证实，远端结肠的炎症高敏感性是肠道的固有特征，在感染性与非感染性肠道炎症中均发挥核心作用。
图5
人源肠道存在同源DCCs，参与溃疡性结肠炎发病
为探索研究结果的临床转化价值，研究团队整合了健康人肠道的单细胞转录组数据，通过小鼠 DCCs 的特征基因进行匹配，成功鉴定出人类结肠中存在功能同源的成熟结肠细胞亚群（图 6a-c）。
人源 DCCs 同样高表达 GBP2、GBP3、OAS1、ISG15 等免疫感知与干扰素刺激相关基因，功能富集显示其同样富集抗菌、抗病毒等防御反应功能，与小鼠 DCCs 的分子特征高度一致（图 6d-e）。对溃疡性结肠炎（UC）患者的数据分析显示，炎症部位的人源 DCCs 出现显著的免疫激活通路上调，且富集的功能通路与小鼠 DCCs 感染后的变化存在大量交集（图 6f-g）。这一结果证实，DCCs 在人类肠道炎症中同样发挥关键作用，研究结果具有重要的临床转化意义。
图6
研究总结
该研究通过整合百创 S1000 空间转录组、bulk转录组与单细胞转录组技术，绘制了沙门氏菌感染过程中结肠的时空单细胞转录组图谱，首次发现远端结肠细胞（DCCs）是肠道感染早期宿主免疫应答的核心启动者，系统揭示了其高敏感性的分子基础，并在非感染性结肠炎与人类样本中验证了机制的保守性。
该研究不仅阐明了肠道区域化免疫应答的细胞与分子机制，刷新了我们对沙门氏菌感染发病过程的认知，更为感染性肠炎、溃疡性结肠炎等多种肠道疾病的防治提供了全新的靶点与思路。百创S1000空间转录组技术，为本次研究提供了关键的空间维度数据支撑，充分展现了其在肠道感染、炎症性肠病等生命科学前沿领域的强大技术优势。
关于百创空间转录组技术
百创自主专利技术，可通过完全无错的原片高清明场图像+ 与明场图像完全对齐的原片荧光图像 + 原片高通量测序，“三片合一”进行精准的细胞分割，并以此为基础拓展到空间免疫组及原位荧光领域，建设起从空间转录组,空间表观调控到空间免疫组及下游原位验证一体化策略，为科研工作者提供了前所未有的研究视角。
01百创S系列空间转录组
百创空间S系列空间转录组芯片：per spot直径为2.5μm，分辨率为3.5μm（相邻spot的中心距），捕获面积6.8mm*6.8mm至50mm*60mm。
02百创S3000-VDJ空间免疫组
BMKMANU S3000-VDJ 技术，使用新鲜OCT包埋样本，在分辨率为3.5μm的芯片上同一张组织切片（10μm）实现3’端mRNA，以及全长TCR/BCR的捕获。利用太阳集团tyc138智能制造独有的图像校准及细胞分割技术，得到单细胞级分辨率的空间转录组结果及单细胞级分辨率的空间T/BCR数据。
03百创ISSeq原位荧光
百创RNA荧光原位检测产品ISSeq，采用锁式探针、荧光探针及滚环扩增技术，精准捕获组织或细胞中RNA位置，是单细胞测序、空间转录组后续验证的黄金搭档，为科研人员提供可靠、精准的实验结果。
04百创空间ATAC-seq
BMKMANU 空间ATAC-seq 技术，基于百创S系列空间芯片为基础进行拓展开发，对染色质开放片段进行捕获，临片进行空间转录组测序，实现“表观遗传-转录组”的多维数据整合。
京公网安备 11011302003368号