加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员开发出了第一个用于将“'组学”数据映射到整个器官的3D空间可视化工具。该工具可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)对居住在该地区的微生物环境中的病变器官的影响。该工作可以促进针对囊性纤维化和药物无法穿透的其他病症的靶向药物递送。

由加州大学圣地亚哥分校Skaggs药学和药学院教授，​​加州大学圣地亚哥微生物组创新中心领导团队成员Pieter Dorrestein博士领导的团队于10月19日在Cell Host&Microbe上发表了这项研究。。

人体器官的每个角落和裂缝都有自己的微生物组 - 微生物及其在特定环境中存在的基因。器官及其环境的解剖结构(温度，pH水平，营养物可用性等)决定了存在哪些微生物。反过来，微生物响应并影响治疗剂的存在。

“我们对人体器官的化学和微生物组成的空间变化的理解仍然有限，”Dorrestein说。“这部分是由于人体器官的大小和变异性，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工作流程，用于将代谢组学和微生物组数据映射到由放射图像构建的3D器官重建。

首先，研究人员从患有囊性纤维化的患者身上获取肺部并对其进行切片。他们分析了样品中细菌的存在，它们的代谢产物和毒力因子(增加细菌有效性的分子，使它们能够在宿主中定居)，以及在治疗期间给予患者的任何药物。

接下来，当时Dorrestein实验室的博士后研究员Neha Garg博士和Nuno Bandeira博士的加州大学圣地亚哥分校实验室的研究生Mingxun Wang修改了一个名为“ili”的现有谷歌Chrome扩展程序来可视化微生物组和整个器官的代谢组分布。

“该应用程序使用户能够将数据映射到2D或3D表面，因此我们修改了代码，使我们不仅可以将丰度数据映射到曲面上，还可以映射到模型中，”Garg说，他现在是助理教授。在乔治亚理工学院

为了可视化细菌和分子的空间定位，该团队采购了人类肺部的CT扫描图像并对其进行处理以生成3D模型。

随着囊性纤维化肺的“组学”数据叠加在修改版“ili”的3D肺上，研究人员能够做出重要的观察。

“我们可以看到，在收集组织之前给患者施用的一种抗生素没有渗透到肺底 - 这种现象以前没有观察到，”Garg说。“这与囊性纤维化相关病原体Achromobacter的丰度相关。因此，不同的药物可能差异地穿透肺部，限制了有效剂量的暴露。我们的工具允许研究人员和临床医生将人体器官中的这一重要临床问题想象成第一次。这对治疗CF和其他疾病有影响。“

研究人员创建了16,379个分子和56个微生物的开源图谱，这些图谱现在将成为科学家研究囊性纤维化和其他肺部相关疾病的资源。

“随着未来研究更多地揭示微生物组和代谢组，他们的空间可视化将提供一种推断其生物学意义的手段，”Dorrestein说。“此外，所开发的方法可以扩展到任何人体器官 - 特别是那些已知与其自身独特的微生物组相关的肿瘤。”

该团队希望这项工作能够帮助改善靶向给药，这可以用来纠正抗生素的不良渗透。