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近年來,，空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)（Spatial Transcriptomics, ST）異軍突起，該技術(shù)充分結(jié)合了測序和成像的優(yōu)勢,，解析實體組織基因表達(dá)的空間異質(zhì)性,，確定其細(xì)胞組成及功能特點。然而標(biāo)準(zhǔn)的ST技術(shù)針對的是宿主基因的捕獲及分析,，對于實體組織特別是腫瘤組織中普遍存在的駐留性微生物則“視而不見”,，宿主細(xì)胞與駐留微生物的互作研究存在精度及通量方面的局限性。本項研究基于目前成熟的ST技術(shù)平臺開發(fā)了SMT,，即優(yōu)化ST實驗流程增加微生物捕獲,，從測序數(shù)據(jù)中提取微生物序列并進(jìn)行分類, 在宿主的基因表達(dá)矩陣之外生成空間微生物豐度矩陣，一體化的實現(xiàn)了宿主基因表達(dá)和微生物分布的空間定位及聯(lián)合分析(圖1),。

圖1. SMT流程示意圖

通常在每次測序獲得的數(shù)以億計序列中發(fā)現(xiàn)微生物序列并不困難,，但如何區(qū)分來自組織駐留微生物的信號以及從樣品處理到建庫測序分析過程中的各種污染及噪音信號存在較大難度，本次開發(fā)的SMT技術(shù)可以成功的區(qū)分和識別污染信號,。此外,，該研究對SMT分析結(jié)果進(jìn)行了多方面驗證，利用熒光原位雜交（FISH）,、傳統(tǒng)批量測序（Bulk-seq）等多種技術(shù)證明分析結(jié)果的可靠性,。研究采用的樣品包括小鼠的大腸、小腸組織,，及來自結(jié)直腸癌病人的手術(shù)樣品,。為了進(jìn)一步驗證SMT技術(shù)性能，團(tuán)隊設(shè)計了如下實驗,，將已知組成的菌液（Mock）滴加在捕獲芯片的四個角落,，而后用組織切片覆蓋，以此來模擬可控的組織駐留菌,。分析發(fā)現(xiàn)不同濃度Mock菌形成深淺不同的電子“菌斑”（圖2）,。由于Mock菌在天然樣品中并不存在,，可以通過計算被正確分類的Mock菌序列比例來驗證整個分析流程的召回率（recall），并對微生物捕獲效率進(jìn)行粗略定量。分析顯示,，對于添加的Mock菌,，捕獲效率達(dá)到了0.3UMI/CFU以上,。

綜上，該研究利用小鼠,、人類樣品及實驗?zāi)M的對照樣品，驗證了SMT技術(shù)的可行性及可靠性,。目前主流的ST平臺產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)可以通過文中的分析工具實現(xiàn)微生物豐度信息的提?。╤ttps://github.com/affinis/SMTa），這意味著大量的ST數(shù)據(jù)都可以升級至SMT水平,。同時,，研究復(fù)現(xiàn)了一些菌群與宿主互作的最新發(fā)現(xiàn)，比如螺桿菌屬（Helicobacter）的高免疫原性以及梭菌屬（Clostridium）穿越腸壁的移行能力（參見Overacre-Delgoffe et al. Immunity 2021,，Ha et al. Cell 2020）（圖3）,。基于其較強(qiáng)的免疫原性,，已有研究考慮將螺桿菌的某些成員用作癌癥免疫療法的佐劑,，更多樣品的SMT數(shù)據(jù)挖掘有望發(fā)現(xiàn)其他類似的“益生菌”?？偠灾?，以SMT為代表的技術(shù)，包括進(jìn)一步對ST芯片上的捕獲探針加以改造的技術(shù),，將把宿主與微生物互作的研究推進(jìn)到新的高度,。

上海市免疫學(xué)研究所陳磊研究員，斯坦福大學(xué)遺傳學(xué)系主任Michael Snyder教授以及上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院消化科主任鄒多武教授為該文的共同通訊作者,，上海市免疫學(xué)研究所技術(shù)員呂霖,、博士后李雪，博士研究生馮茹（已畢業(yè)）以及斯坦福大學(xué)博士后周欣為該文的共同一作,。該研究得到了上海市免疫學(xué)研究所測序平臺的大力支持,。陳磊團(tuán)隊長期致力于基因測序相關(guān)的生物信息學(xué)研究，歡迎相關(guān)背景博士后加盟,，咨詢請聯(lián)系 [email protected],。