從細(xì)胞水平上看人體，是什么樣的？

這正是“人類生物分子圖譜計(jì)劃”要回答的問題——通過革命性技術(shù)發(fā)展、數(shù)據(jù)收集和空間圖譜，建立一個(gè)廣大科研人員易于訪問的框架，在單細(xì)胞水平綜合全面地解析人體。

19日，《自然》雜志同時(shí)發(fā)表了3篇論文報(bào)道了人體腸道、腎臟和母胎界面的參考細(xì)胞圖譜。除了這些研究，HuBMAP還發(fā)表了一系列其他論文，這些工作共同揭示了各類型細(xì)胞排列以及它們與人體不同組織和器官相互作用的新信息，是研究人體生物學(xué)和疾病的寶貴資源。

傾聽“生理交響樂”并非易事

人體是一架任何人造設(shè)備都無法匹敵的、復(fù)雜而高效的機(jī)器。上萬億的細(xì)胞，以天工造物的神奇排列和功能狀態(tài)組織起來，每時(shí)每刻都在奏響“生理交響樂”。

對(duì)人類來說，細(xì)胞的組織方式和細(xì)胞間的相互作用決定了器官和組織的功能。HuBMAP計(jì)劃旨在繪制整個(gè)人體的細(xì)胞排列方式，幫助科學(xué)家研究細(xì)胞如何工作，以及細(xì)胞間的關(guān)系如何影響個(gè)體健康。

不過，這一過程非常有難度。你可以把構(gòu)建細(xì)胞圖譜想象成地圖繪制，但揭示細(xì)胞的位置、結(jié)構(gòu)和功能，遠(yuǎn)比繪出地圖上的海拔、河流、道路、森林、小徑、城市、建筑更為不易。因?yàn)椴煌娜巳盒枰煌膱D譜；人群中每個(gè)個(gè)體在時(shí)時(shí)更新，需要密切關(guān)注；個(gè)體的每個(gè)器官不僅需要一張圖，還需要圖集。

為此，HuBMAP合作組一直在開發(fā)能在單細(xì)胞水平上繪制組織和器官內(nèi)細(xì)胞分子組成的工具，這些組成包括RNA、蛋白質(zhì)和代謝物。這類工具現(xiàn)在已被用來構(gòu)建人類腸道、腎臟以及與胎盤相連組織的參考細(xì)胞圖譜。

精準(zhǔn)構(gòu)建多器官圖譜

美國(guó)斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院團(tuán)隊(duì)研究了人體腸道，這個(gè)復(fù)雜的器官有許多不同的結(jié)構(gòu)和功能。他們分析了9名個(gè)體的8個(gè)腸道部位，揭示了不同位置腸道組成的巨大差異。他們發(fā)現(xiàn)了新的上皮細(xì)胞亞型，還發(fā)現(xiàn)了不同細(xì)胞類型會(huì)形成“社區(qū)”，有些“社區(qū)”能特異性地調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答。研究結(jié)果揭示了能促進(jìn)腸道發(fā)揮功能的復(fù)雜、差異化的細(xì)胞組成。

圣路易斯華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院團(tuán)隊(duì)則分析了45個(gè)健康的和48個(gè)生病的人體腎臟。這些器官的損傷會(huì)觸發(fā)腎細(xì)胞變化，最終影響腎臟功能。他們繪制了腎臟不同區(qū)域的51種主要細(xì)胞類型的單細(xì)胞和空間圖譜。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)了會(huì)在急性或慢性損傷下改變的細(xì)胞狀態(tài)和腎臟免疫細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞和上皮細(xì)胞“社區(qū)”，包括與修復(fù)途徑是否成功或存在缺陷有關(guān)的狀態(tài)。

斯坦福大學(xué)的另一組人則構(gòu)建了妊娠前半期的人體胎盤圖譜。他們分析了來自66例人體母胎界面樣本的約50萬個(gè)細(xì)胞和588個(gè)動(dòng)脈。具體而言，他們研究了胎盤和子宮之間的界面，這里的母體動(dòng)脈會(huì)發(fā)生改變，從而給胎兒供血。這些圖譜覆蓋了不同的發(fā)育階段，識(shí)別了胎盤和免疫細(xì)胞之間的相互作用；后一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)闡明了母體免疫細(xì)胞如何支持母體和胎兒完全不同的細(xì)胞的共存。

推動(dòng)人類對(duì)疾病的理解

人體器官細(xì)胞圖譜的精準(zhǔn)繪制，是一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的過程，技術(shù)的進(jìn)步可以掃除前進(jìn)中的障礙，但同時(shí)，也將更多不為前人所知的問題攤在研究人員面前。最終，無論是嶄新圖譜的出爐還是對(duì)現(xiàn)有圖譜的豐富、調(diào)整，都將惠及人類自身。

在《自然》同時(shí)發(fā)表的新聞與觀點(diǎn)文章中，英國(guó)惠康桑格研究所科學(xué)家評(píng)論稱，這3個(gè)HuBMAP圖譜通過定義與疾病相關(guān)的細(xì)胞狀態(tài)的空間位置，推動(dòng)人類對(duì)疾病的理解。

科學(xué)家們表示仍需檢驗(yàn)更多樣本來“建立細(xì)胞組織和功能在健康和疾病中的可靠關(guān)聯(lián)”。但他們預(yù)計(jì)，很快就會(huì)有來自其他組織的更多圖譜與人們見面。