加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发了第一个三维空间可视化工具，将“组学”数据映射到整个器官。该工具帮助研究人员和临床医生了解化学物质(如微生物代谢物和药物)对病变器官的影响，这些化学物质也生活在该地区的微生物环境中。这项工作可以为囊性纤维化和其他药物无法穿透的疾病提供有针对性的药物治疗。
由Pieter Dorrestein博士领导的研究小组，在加州大学圣地亚哥分校的斯卡格斯药学和药学学院教授，以及加州大学圣地亚哥分校微生物组创新中心的领导小组成员，于10月19日在《细胞宿主与微生物》杂志上发表了这项研究。
人体器官的每一个角落和缝隙都有自己的微生物组。在特定环境中存在的微生物及其基因。解剖器官及其环境(温度、pH值、营养可用性等)决定哪些微生物存在。反过来，微生物对治疗的反应和影响也会受到影响。
“我们对人体器官化学和微生物构成的空间变化的理解仍然有限，”Dorrestein说。“这在一定程度上是由于人体器官的大小和可变性，以及我们从代谢组学和基因组学研究中获得的大量数据。”
为了应对这一挑战，Dorrestein的团队开发了一个开源的工作流，用于将代谢组学和微生物组数据映射到一个由辐射图像构建的3D器官重建中。
首先，研究人员从患有囊性纤维化的病人那里获得了一个肺，并将其切片。他们分析了样本中存在的细菌、他们的代谢产物和毒力因子(这些分子增加了细菌的有效性，并使他们在宿主中开拓了一个利基)，以及在治疗过程中给病人的任何药物。
接下来，Neha Garg博士是Dorrestein实验室的博士后研究员，同时也是位于加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego lab of Nuno Bandeira)的研究生王明勋(音)，修改了现有的谷歌Chrome扩展名“ili”，在整个器官上可视化microbiome和metabolome分布。
“应用程序允许用户将数据映射到2D或3D表面，因此我们修改了代码，让我们不仅可以将大量数据映射到表面上，而且还可以在模型中，”Garg说，他现在是佐治亚理工学院的助理教授。
为了使细菌和分子的空间定位形象化，研究小组采用了人类肺部的CT扫描图像，并对其进行加工，生成3D模型。
在“伊利”的改良版中，从囊性纤维化肺的“组学”数据中，研究人员能够进行重要的观察。
“我们可以看到，在收集组织之前给病人服用的一种抗生素没有穿透肺的底部;这是一种以前从未见过的现象。“这与大量囊性纤维蛋白相关的病原体Achromobacter有关。”因此，不同的药物可能会不同的穿透肺，限制暴露于有效的剂量。我们的工具让研究人员和临床医生第一次在人体器官中看到这一重要的临床问题。这对治疗CF和其他疾病有影响。
研究人员创建了16379个分子和56个微生物的开源地图，这些分子现在将成为科学家研究囊性纤维化和其他肺相关疾病的资源。
Dorrestein说:“随着未来的研究更多地揭示了微生物群落和代谢组，它们的空间可视化将提供一种手段来推断它们的生物学意义。”此外，开发的方法可以扩展到任何人体器官。尤其是那些患有肿瘤的人，这些肿瘤被认为与他们自己独特的微生物群落有关。
该团队希望这项工作将有助于提高靶向药物的交付，这可以用来矫正抗生素的不良渗透。
