利用单细胞质谱研究转染病中的细胞多样性

恰加斯病（南美锥虫病）是一种南美州常见的热带传染病，但是它的发病机制与治疗尚未得到充分的研究。这种疾病的病原体是一种称为克氏锥虫（T. cruzi ）的寄生虫。恰加斯病分为两个阶段，包括急性期与慢性期。急性期有大量寄生虫随血液循环；慢性期寄生虫主要寄生在心脏和消化道的肌肉中，并且大约十年后部分患者会出现心脏障碍和消化道、神经或混合病变，并可能引发心肌和神经系统损害从而发生心律失常或心力衰竭。尽管在实验室条件下克氏锥虫的感染对于代谢的影响已被研究，但这些研究均使用了细胞群或组织制备提取物，无法揭示细胞的异质性和空间分布，从而限制了对于克氏锥虫感染原理更深入的了解和发展新的治疗方案。

俄克拉荷马大学（University of Oklahoma）杨志柏（Zhibo Yang）与Laura-Isobel McCall两个团队合作，通过利用单细胞质谱分析深入研究了在感染克氏锥虫时的宿主细胞异质性（图1）。在过量寄生虫的环境下，只有一部分细胞会被寄生虫寄生，而其它共存的细胞并未被感染。该研究用X-gal染色，使被感染细胞呈现蓝色，而未感染细胞保持不变。之后使用单细胞探针（Single-probe）质谱代谢组学技术在单细胞层面对被感染的细胞（感染组，Infected）、被感染细胞周围的未感染细胞（旁观者组，Bystander）、未加入寄生虫但经历染色的细胞（染色组）以及未经处理的细胞（对照组）进行数据采集，再利用主成分分析（Principal Component Analysis）寻找细胞内代谢规律和进行数据可视化处理（图2），并利用机器学习（随机森林）对各类细胞进行分类（表1）。

图1. 单细胞探针质谱代谢组学研究细胞特异性在克氏锥虫感染过程的影响。图片来源：Anal. Chem.

实验结果显示，与对照组细胞相比，被寄生虫感染的细胞代谢发生了明显的变化。尤其需要注意的是，与感染细胞相邻的一些旁观者细胞的代谢也发生了变化（图2）。此结果首次证明了被克氏锥虫感染的细胞对邻近未感染细胞的旁观者效应。虽然目前的研究还不能完全解释这种旁观者效应的机制，但感染的差异可能是由于宿主细胞的异质性。例如旁观者细胞可能属于其营养物质含量较低的细胞亚群，从而导致不易被寄生虫感染。也有可能是因为寄生虫改变了被感染细胞的分泌物，而这些分泌物造成了旁观者细胞代谢的变化。这些结果为恰加斯病的发病机制与新的治疗策略提供了新的研究方向。除此之外，这篇文章报道了单细胞质谱分析在哺乳动物传染病研究中的首次应用，所用到的实验技术和方案可能被广泛地应用于其他传染病的研究。

图2. 克氏锥虫感染对旁观者细胞代谢组的影响。(a) PCA 结果显示克氏锥虫感染细胞和旁观者细胞子集之间的代谢产物部分重叠。(b)通过随机森林分类后的 PCA 重新分析，结果显示错误分类的旁观者细胞具有与感染细胞相似的整体代谢组。图片来源：Anal. Chem.

表1. 随机森林分类。图片来源：Anal. Chem.

该文章发表在Analytical Chemistry 上。文章共同第一作者为Tra Nguyen和兰云鹏（Yunpeng Lan）博士研究生。文章的通讯作者为杨志柏（Zhibo Yang）和Laura-Isobel McCall教授。

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Single-Cell Mass Spectrometry Enables Insight into Heterogeneity in Infectious Disease

Tra D. Nguyen, Yunpeng Lan, Shelley S. Kane, Jacob J. Haffner, Renmeng Liu, Laura-Isobel McCall*, and Zhibo Yang*

Anal. Chem., 2022, DOI: 10.1021/acs.analchem.2c02279

作者简介

Tra D. Nguyen博士研究生于2018年在德州女子大学获得本科学位并加入俄克拉荷马大学杨志柏研究团队。其研究方向设计单细胞质谱分析，单细胞代谢组学和单细胞基因组学。其研究结果以第一作者的身份发表在Analytical Chemistry，Metabolites ，Journal of Physical Chemistry B等学术期刊上。

兰云鹏博士研究生于2017年在四川大学获得本科学位，2018年加入俄克拉荷马大学杨志柏研究团队。其研究方向设计单细胞质谱分析，单细胞代谢组学，单细胞内分子量化和单细胞快速检测。其研究结果以第一作者的身份发表在Analytical Chemistry，Metabolites 等学术期刊上。

Laura-Isobel McCall教授2009年和2013在麦吉尔大学获得本科和博士学位，2013-2017年在加州大学圣地亚哥分校和旧金山分校从事博士后研究。从2017年开始，McCall博士在俄克拉荷马大学任助理教授。目前研究领域集中在化学制图方法来了解疾病发展的空间背景，哺乳动物与环境之间的相互作用，大数据分析质谱代谢组学，并综合信息指导合理的药物和疫苗开发。研究组特别关注易被忽视的热带疾病和贫困疾病。

杨志柏教授1997和2000年在中国科学技术大学获得本科和硕士学位，2005年在美国韦恩州立大学获得博士学位。2005-2008年在西北太平洋国家实验室以及2008-2012年在科罗拉多大学博尔德分校从事博士后研究。从2012年开始，杨博士在俄克拉荷马大学任助理教授，并于2018年晋升为副教授。目前研究领域集中在现代质谱技术的发展和应用，包括单细胞检测，组织成像，人工肿瘤模型的培养和检测，以及利用新兴的数据分析方法（包括多变量分析和机器学习）对质谱数据进行挖掘和研究。除此之外，研究范围还包括气相离子化学，反应动力与学热力学，和计算化学。

https://www.x-mol.com/university/faculty/6367