《Communications Biology》：A bovine pulmosphere model and multiomics reveal early host response signature in tuberculosis
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为解决牛结核病（TB）研究中缺乏合适模型、难以深入探究宿主应答机制等问题，研究人员开展了利用三维（3D）肺球模型研究牛 TB 发病机制及宿主早期感染应答的主题研究。结果构建出模型，揭示关键通路及潜在生物标志物，对 TB 防控意义重大。
结核病（Tuberculosis，TB）是一种严重危害全球畜牧业经济和公共卫生的疾病，牛结核病（bovine TB，BTB）在许多国家广泛流行，给畜牧业带来巨大损失。牛分枝杆菌（Mycobacterium bovis）和结核分枝杆菌（M. tuberculosis）是导致牛结核病的主要病原体，近年来新发现的 M. orygis 也增加了人畜共患传播的风险。同时，耐药结核菌的出现使得结核病的根除工作更加复杂，牛可能成为耐药菌株的储存宿主。
目前，在牛结核病研究方面存在诸多难题。在东南亚国家如印度，牛结核病发病率在 2 - 50% 之间，其复杂的流行病学、难以实施的根除政策以及缺乏有效的诊断方法和疫苗，都阻碍了防控工作。而且，现有的研究主要依赖体外牛外周血单个核细胞（PBMCs）感染模型和有限的体内感染研究，缺乏物种特异性疾病模型和大型动物生物安全 3 级设施，限制了对牛结核病发病生物学的研究。传统的二维（2D）细胞培养无法模拟肺部的多细胞复杂性，难以深入探究结核杆菌与肺细胞的早期相互作用。
为了突破这些困境，国家动物生物技术研究所的研究人员开展了一项重要研究。他们构建了一种三维（3D）肺球模型，用于研究结核分枝杆菌感染牛系统的发病机制和宿主早期感染应答。该研究成果发表在《Communications Biology》杂志上。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，从牛肺组织获取并处理细胞，制备三维肺球。通过活 / 死细胞染色、缺氧和氧化应激检测等实验，对肺球进行特征分析。利用液相色谱 - 质谱（LC - MS）分析蛋白质组，进行转录组测序，构建蛋白质 - 蛋白质相互作用（PPI）网络，筛选潜在生物标志物，并进行实时荧光定量聚合酶链式反应（qRT - PCR）验证。
研究结果如下：
- 肺球模型的构建与特征：优化了牛原代肺细胞来源的肺球生成方法，确定了最佳接种密度为每孔1×104和1.5×104个细胞，且早期传代细胞更有利于肺球形成。在 28 天的监测期内，肺球直径显著增大。通过活 / 死细胞评估发现，随着培养时间延长，死细胞数量增加，活细胞数量减少。同时，肺球内缺氧水平逐渐升高，活性氧（ROS）水平呈双相曲线变化。蛋白质组分析显示，三维肺球具有复杂的多细胞性，包含多种肺细胞类型，且细胞外基质（ECM）蛋白显著上调。
- 肺球 TB 疾病模型的建立：使用牛分枝杆菌卡介苗（M. bovis BCG）和结核分枝杆菌 H37Rv 构建牛肺球 TB 感染模型，通过活荧光显微镜观察发现，M. bovis BCG 在肺球内复制受限，而 M. tuberculosis H37Rv 则广泛传播。
- 宿主应答的转录组和蛋白质组分析：感染后 24 小时对感染和未感染肺球进行转录组和蛋白质组分析，发现 M. tuberculosis 感染诱导的差异表达基因（DEGs）和差异表达蛋白（DEPs）数量多于 M. bovis BCG 感染。功能富集分析表明，M. bovis BCG 感染主要上调免疫反应、细胞组织和 ECM 修饰、脂质代谢相关通路；M. tuberculosis 感染则显著上调 Th - 17、Th - 2（IL - 4）相关免疫反应、ECM - 受体相互作用、RIG - 1 样受体信号通路等。
- 潜在生物标志物的筛选与验证：整合转录组和蛋白质组数据，筛选出 15 个基因作为结核分枝杆菌感染的潜在标志物。通过与已发表的组学数据进行计算机比较分析，进一步筛选出 6 个基因（IRF1、CXCL8、CXCL10、CCL5、SERPINE1 和 CFB）作为潜在的早期感染生物标志物。感染强毒 M. bovis 和 M. orygis 的肺球实验验证了这些标志物的表达变化，且不同病原体感染引起的宿主应答存在差异。
研究结论和讨论部分指出，该研究构建的三维肺球模型为研究牛结核病提供了重要平台，能够模拟体内感染微环境，深入探究宿主 - 病原体相互作用。研究揭示了不同结核分枝杆菌感染诱导的宿主应答差异，为理解牛结核病发病机制提供了新视角。筛选出的潜在生物标志物为牛结核病的诊断、治疗监测和疫苗评估提供了有价值的参考。然而，该模型也存在一些局限性，如构建和维护难度较大，无法完全模拟体内环境，未来需要进一步改进和完善。总体而言，这项研究为牛结核病的防控和治疗提供了重要的理论依据和实践指导，具有重要的科学意义和应用价值。
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