这一尖端技术是在兽医学院微生物与免疫学系的威廉·卡普兰感染生物学教授大卫·拉塞尔博士的实验室开发的，并在7月22日发表在《实验医学杂志》(Journal of Experimental Medicine)上的新研究中详细介绍。

多年来，罗素的实验室一直在探索结核分枝杆菌(Mtb)是如何感染宿主细胞并持续存在的，宿主细胞通常是称为巨噬细胞的免疫细胞。

该实验室最新的创新结合了两种分析工具，每一种分析工具都针对病原体-宿主关系的不同方面:“报告”结核分枝杆菌，根据它们在环境中的压力大小发出不同的颜色;以及单细胞RNA测序(scRNA-seq)，它可以获得单个宿主巨噬细胞的RNA转录本。

“有史以来第一次，我实验室的Davide Pisu博士结合了这两种方法来分析体内感染mtb的免疫细胞，”Russell说。

在用荧光报告Mtb细菌感染小鼠后，Russell的团队能够从小鼠肺部收集并流分类单个Mtb感染的巨噬细胞。然后，研究人员确定哪些巨噬细胞促进了结核分枝杆菌的生长(活跃的、发光的红色细菌)，或含有不太可能生长的结核分枝杆菌(不快乐的、发光的绿色细菌)。

接下来，他们选取了两个已分类的感染巨噬细胞种群，并对它们进行单细胞RNA测序分析，从而生成两个种群中每个宿主细胞的转录谱。

当科学家们将巨噬细胞单细胞测序数据与报告细菌表型进行比较时，他们发现在细菌的适应度状态与宿主细胞的转录谱之间存在几乎完美的一对一关联。含有不快乐的绿色细菌的巨噬细胞也表达抑制细菌生长的基因，而含有快乐的红色细菌的巨噬细胞表达促进细菌生长的基因。

科学实验很少能如此完美地完成。

拉塞尔说:“让我们震惊的是，它的效果如此之好。”“当Davide Pisu给我看分析报告时，我差点从椅子上摔下来。”

通常，表型和转录谱是两种很少完美匹配的特征，这几乎从来没有发生在体内数据。

这对近乎完美的组合揭示了新的细微差别。

Russell说:“虽然我们之前的结果在广义上确定了固有肺泡巨噬细胞(AM)是允许的，而血液单核细胞来源的招募巨噬细胞(IM)是控制结核分枝杆菌感染的，但我们发现，毫不意外，这是一个过于简单化的结论。”

即使在这两种不同类型的巨噬细胞中也存在差异:一些AM细胞控制结核分枝杆菌的生长，而一些IMs细胞允许细菌扩张。研究小组发现，在人类和小鼠肺样本中都存在类似的免疫细胞亚群。

额外的一步研究看看我的反应是否和IM结核分枝杆菌细胞epigenetically控制——这意味着细胞的特征是由于某些基因被关闭或分子开关这可能解释两组巨噬细胞有不同的反应。通过读取细胞的表观遗传景观，他们发现情况确实如此。

“分析表明，当这些细胞分别通过感染或接种疫苗暴露于结核分枝杆菌或疫苗株时，它们的表观遗传程序对它们的反应是否导致疾病控制或进展有重大影响，”Russell说。

有了这些新信息，罗素实验室计划着手研究新的治疗方法。“我们将从筛选已知的表观遗传抑制剂化合物库开始，看看哪些化合物可能对修改免疫反应有用，”Russell说。

如果他们真的发现了有希望的化合物——一种能促使巨噬细胞产生抗结核行为的化合物——他们有可能与疫苗结合使用，帮助患者的免疫系统抵御结核病。

这一发现为病原体如何影响单个细胞的更有力的研究奠定了基础，允许对系统进行全面检查。

“这是一个路线图，让我们观察整个细胞种群，并看到一个单一的扰动如何影响整个种群的细胞，”Russell说。“我们可以在体内感染的情况下测试药物的功效，而不受任何对化合物功能的预先限制。”

这种方法非常灵活，可以用于任何细胞内病原体的研究，包括病毒，并很容易适用于任何动物挑战模型。

Journal Reference:

1. Davide Pisu, Lu Huang, Vipin Narang, Monique Theriault, Gabrielle Lê-Bury, Bernett Lee, Agnes E. Lakudzala, David T. Mzinza, David V. Mhango, Steven C. Mitini-Nkhoma, Kondwani C. Jambo, Amit Singhal, Henry C. Mwandumba, David G. Russell. Single cell analysis of M. tuberculosis phenotype and macrophage lineages in the infected lung. Journal of Experimental Medicine, 2021; 218 (9) DOI: 10.1084/jem.20210615