《食品科學》：中國農業大學賀曉云副教授等：單細胞組學技術在腸道健康中的研究進展

腸道負責從食物中吸收營養物質，腸道健康對機體消化至關重要，健康的腸道內層需要有效吸收必需的維生素、礦物質和其他營養物質，以保持整體健康。

單細胞測序技術是一個多維度、多層次的研究體系，是在單個細胞水平上對細胞內的各種生物分子進行高通量測序分析的技術，包含單細胞基因組測序（scDNA-seq）、單細胞轉錄組測序（scRNA-seq）、單細胞蛋白質組學和單細胞表觀遺傳學分析等，它能夠揭示單個細胞的基因結構和基因表達狀態，從而反映細胞間的異質性。這一技術在腫瘤研究、發育生物學、微生物學以及神經科學等多個領域發揮了重要作用，同時它可以實時監測腸道微生物群落的動態變化，也可以用于開發新型益生菌食品添加劑，幫助改善腸道健康，增強免疫功能，預防腸道疾病，幫助研究人員更好地理解飲食、藥物或其他因素對腸道微生物群落的影響，成為生命科學研究的焦點。

中國農業大學食品科學與營養工程學院的徐彤曉、賀曉云*，中國農業大學動物醫學院的陳亞南等人概述單細胞組學技術分類及在腸道健康中的應用，解析腸道細胞間細微的差異，揭示腸道生理功能和免疫機制的復雜性，為預防和診斷腸道疾病提供新的思路。

01

單細胞組學技術

1.1 單細胞基因組和轉錄組測序

單細胞基因組和轉錄組技術是對單個細胞DNA和RNA進行平行分析，從而使體細胞變異和基因表達差異聯系起來。目前已經開發了多種方法進行基因組和轉錄組的單細胞多組學分析，包括單細胞基因組與轉錄組測序、基因組DNA-mRNA測序及Target測序等。scDNA-seq是通常對數千到數百萬個細胞的DNA含量進行勻漿，研究單個個體或少數個體細胞DNA的技術和方法。這種技術可以提供高分辨率和高精度的基因組圖譜，揭示基因組的復雜性和多樣性，為進一步研究基因表達調控機制和遺傳疾病的發生機制提供重要數據。scDNA-seq還可以與其他單細胞技術如scRNA-seq等技術聯合使用，實現優勢互補，提高研究精度和全面性。scRNA-seq是對單個細胞的整個轉錄本進行測序，研究單個細胞轉錄層面的表達信息，需要分離和裂解單個細胞，將其RNA轉化為cDNA，并擴增cDNA以生成高通量測序文庫。scRNA-seq的平臺有很多，常用的包括10x Genomics、BD Rhapsody、Fluidigm C1和Bio-Rad等。其中10x Genomics單細胞轉錄平臺因其成本效益和通量優勢而被廣泛使用，是最常見的一種scRNA-seq方法。scRNA-seq通過測定單個細胞中的mRNA表達譜來研究細胞類型、細胞狀態以及細胞間相互作用等，主要實驗步驟包括制備單細胞懸液、分離單個細胞、捕獲其mRNA、進行反轉錄和核酸擴增以及構建轉錄組文庫。通過單細胞測序技術，可以獲取每個腸道細胞的基因表達譜，從而揭示腸道細胞的特異性和功能差異。Baghdadi等利用單細胞RNA測序確定腸神經膠質細胞（EGCs）作為干細胞生態位的作用，分析小鼠和人類腸黏膜組織，捕獲了25 327 個細胞，通過分析發現EGCs在穩態和慢性IBD中具有異質性調控，腸道干細胞的修復潛力是由一個特定的膠質纖維酸性蛋白（GFAP）和EGCs亞群調節。腸道干細胞損傷會誘導GFAP和EGCs的擴張，GFAP和EGCs通過表達多種無翅相關整合位點配體（WNT）促進含富含亮氨酸重復序列的G蛋白偶聯受體5表達以及腸道干細胞的自我更新。

由于不同細胞類型和樣本之間的基因表達差異較大，單一的單細胞組學技術難以完全涵蓋所有細胞類型的表達譜，可能存在一定的局限性。為了克服這些缺陷，單細胞基因組學和轉錄組學聯合使用成為了一種趨勢。當單細胞測序與同步細胞表型分析相結合時，可以保留有關不同細胞類型中存在的體細胞突變的信息，通過將單細胞基因組學和轉錄組學數據進行整合，構建單細胞級別的基因表達圖譜和基因調控網絡，為深入研究基因表達調控機制提供有力支持。

1.2 單細胞蛋白質組學

單細胞蛋白質組學是指在單個細胞水平上分析其蛋白質組成和表達水平的技術，包括單個細胞內蛋白質的組成、豐度和修飾狀態等，這項技術的發展使得人們能夠更精確地了解細胞的功能狀態、信號傳導途徑以及細胞間的異質性，發現新的蛋白質標志物，用于疾病的診斷和分型。例如成年人腸道長度長達9 m，不同部位存在結構和功能的巨大差異。為了更好地了解這些差異，Hickey等用單細胞原位空間蛋白質組學技術、單核RNA測序以及開放染色質測定對來自9 個供體的8 個不同腸道部位的單細胞組織結構進行了深度解析。研究人員通過PhenoCycler-fusion單細胞原位空間蛋白質組學技術對組織切片上的54 個蛋白標志物進行原位成像，分析了總計270萬 個單細胞，鑒定了25 種細胞類型，包括基質細胞、免疫細胞和上皮細胞，以比較不同組織區域的細胞組成和結構，并進行深度的空間表型分析。該項研究在單細胞水平繪制了腸道組織的空間細胞圖譜，揭示了腸道組織不同部位的廣泛細胞復雜性和異質性。除此之外，單細胞蛋白組學可以對單個細胞進行蛋白質表達、翻譯和降解等過程的深度測序和分析，能夠通過檢測到蛋白質的整體表達譜，提供更全面的細胞功能信息，其中包括關鍵的分泌、代謝和信號轉導蛋白質，從而更全面地揭示腸道細胞的生理狀態和功能。單細胞蛋白組學還可以揭示蛋白質的降解途徑，包括內源性酶和外源性酶的作用，這對于理解腸道細胞的穩態調節和功能維持具有重要意義。

1.3 單細胞表觀遺傳測序

單細胞表觀遺傳測序是一種新興的技術，旨在揭示單個細胞內的表觀遺傳修飾模式，這些修飾不改變DNA序列本身，但影響基因的表達方式。表觀遺傳學在發育、疾病發生以及環境因素對生物體影響的研究中扮演著重要角色。目前雖然已知癌細胞可能源于驅動致癌作用的基因突變，但許多類型的腫瘤缺乏強大的遺傳驅動因素，無法解釋重要的惡性過程。單細胞表觀遺傳測序技術可以提供關于細胞內基因調控機制的詳細信息，包括DNA甲基化、組蛋白修飾等，從而更全面地揭示細胞基因表達調控的機制，更好地理解細胞多樣性和復雜性。這類技術包括單細胞甲基化測序、單細胞染色質可及性測序、單細胞染色質免疫共沉淀測序（ChIP-seq）等，用以研究單細胞水平上的表觀遺傳修飾及其對基因調控的影響。Rotem等基于ChIP-seq方法結合微流控和DNA條形碼技術，實現了對數千個單細胞的測序分析，這種方法顯著提高了單細胞表觀遺傳學研究的通量和效率。此外，通過比較正常和患病腸道細胞的表觀遺傳修飾，單細胞表觀遺傳學可以發現與疾病相關的表觀遺傳標記物，為疾病的診斷和分型提供新的視角。

然而，單細胞表觀遺傳學只能提供單個細胞的數據，不能反映整個細胞群體的表型差異，這可能會影響對整體表型差異性的評估。此外，單細胞表觀遺傳學的應用范圍有限，目前主要應用于一些特定的組織和細胞類型的研究，對于一些特殊樣本如組織切片、細胞培養等可能存在一定的限制。而且癌癥這種復雜的生物系統無法通過批量探索或檢查單個信息層完全理解。因此，單細胞表觀遺傳學在應用中需要進一步完善相關技術，以單個細胞分辨率整合不同的組學以破譯驅動癌癥發展和進展的機制和調節異質性至關重要，同時加強生物信息學的分析和解讀能力，以提高數據質量和研究精度。

表1總結了單細胞不同技術在腸道健康中的應用及相關結果分析。

02

單細胞組學技術在腸道健康中的應用

2.1 識別腸道細胞類型

IBD是指原因不明的一組非特異性慢性胃腸道炎癥性疾病，主要包括UC、克羅恩病（CD）和未定型結腸炎（IC），其發病機制涉及多個因素，包括腸道微生物群落的改變、腸道細胞的異常反應和免疫系統的失調等。

Holloway等對葡聚糖硫酸鈉誘導的結腸炎小鼠腸道活細胞進行單細胞RNA組學分析，鑒定了15 個簇，如表2所示，包括腸上皮內分泌細胞、腸吸收分泌細胞和內皮細胞等，然后在每個采樣時間點對每個簇中的細胞數進行計數來評估細胞組成的變化，發現上皮細胞、基質細胞、肌成纖維細胞、間質細胞和EGCs的數量隨著炎癥的發生而減少，差異表達基因分析表明，在所有時間點的單核吞噬細胞和基質細胞簇表型都發生了變化，同時也發現干擾素-γ（IFN-γ）在T細胞簇內的內表達與炎癥進程具有時間相關性。這些研究表明單細胞RNA組學技術可廣泛應用于多個患者隊列研究，為識別新型細胞類型、闡明細胞間相互作用和構建IBD發病機制的新假設提供技術支持。Jaeger等運用單細胞RNA測序技術研究腸炎患者腸道免疫系統的狀態，發現腸道上皮內淋巴細胞（IEL）包含幾個獨特的T細胞亞群，包括表達視黃酸相關孤兒受體γ亞型T（RORγT）的自然殺傷細胞p30相關蛋白（NKp30）γδ T細胞，并在NKp30參與過程產生白介素（IL）-26。研究還發現，患者炎癥組織中激活的Th17細胞增多，而CD8+ T細胞、γδ T細胞、T細胞和調節性T細胞（Treg）的數量減少。此外，跨壁炎癥和IEL中γδ T細胞數量減少以及IEL和淋巴細胞（LP）中T細胞亞群的空間分布之間存在潛在聯系。

腸道是一個復雜的生態系統，包含上皮細胞、免疫細胞、基質細胞、內皮細胞、神經細胞等多種細胞類型，這些細胞類型在維持腸道的屏障功能、免疫反應、營養吸收等方面發揮著至關重要的作用。然而，腸道細胞的多樣性使得傳統的群體分析方法難以揭示各類細胞之間的功能差異和相互作用。單細胞組學技術則能夠在單細胞水平上揭示這些細胞的特異性基因表達模式，識別出不同細胞類型、亞型和狀態，從而為構建更加精細的腸道細胞圖譜。通過單細胞組學，研究人員能夠識別和描述那些在傳統方法中難以分辨的細胞亞群。這不僅提供了更加全面的腸道細胞組成圖譜，還為探索腸道在健康和疾病狀態下的功能變化提供了基礎。例如，腸道內某些稀有細胞群體，雖然在整體細胞群體中占比微小，但可能在腸道免疫反應或修復機制中發揮關鍵作用，單細胞組學能夠有效地揭示這些細胞群體的存在及其生物學功能。此外，單細胞技術還可以幫助理解細胞間的相互作用及其在腸道微環境中的動態變化。腸道內的細胞并不是孤立存在的，它們通過信號通路相互作用，共同維持腸道的功能穩定。在腸道上皮細胞中，磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B信號通路參與細胞增殖、遷移、侵襲和上皮間質轉換，在維持腸道穩態和抵御感染中發揮重要作用，Wnt信號通路參與細胞的增殖、分化和遷移，影響腸道上皮細胞的正常發育過程，Notch信號通路在腸道發育和細胞分化中起到重要作用，能調控細胞的命運。在IBD等疾病的研究中，單細胞組學能夠揭示細胞間的功能失調和相互作用的異常，為疾病機制的探索和新的治療策略的制定提供了有力的工具。通過單細胞組學分析，可以發現與IBD發病相關的基因和信號通路，為開發新型藥物和食品添加劑提供科學依據。

2.2 追蹤細胞狀態和分化過程

腸道細胞狀態在維持腸道穩態和健康中起著至關重要的作用，通過單細胞測序技術，可以揭示腸道細胞的特異性和功能差異，分析如何分化為各種功能性細胞類型，以及在疾病狀態下這種過程的變化對腸道穩態的影響。

Fawkner-Corbett等運用單細胞RNA測序和空間轉錄組學技術，探討了腸道形態隨時間變化的特征，分析了不同發育時間點和組織位置的胚胎腸道樣本，確定了101 個細胞狀態，包括上皮和間充質細胞群，以及與關鍵形態發生過程相關的變化。研究還描述了隱窩-絨毛軸的形成，神經、血管和間充質的形態發生，以及發育中的腸道免疫群體，確定了成纖維細胞和成肌纖維細胞亞型的分化層次及其功能，揭示了Peyer斑和腸道相關淋巴組織的起源，并描述了特定位置的免疫程序。Pelka等也利用單細胞RNA測序探討癌癥免疫反應的調控規則，發現結直腸腫瘤中存在廣泛的轉錄和空間重構。不同細胞類型的表達程序在受影響個體的腫瘤中共同變化，是惡性細胞和免疫細胞相互作用的樞紐。腫瘤內存在一個富含MMRd（錯配修復缺陷）的免疫中心，其中含有活化的T細胞，以及表達T細胞吸引趨化因子的惡性細胞和骨髓細胞。結合單細胞測序有助于識別關鍵的基因表達模式和轉錄因子，為研究腸道細胞的分化、發育和功能調節提供新的視角，這有助于研究人員更深入地了解某些基因在維持腸道健康中的作用。

單細胞組學技術通過對單個細胞的基因表達、表觀遺傳修飾或蛋白質組學特征進行高分辨率的測量，使研究人員能夠捕捉到細胞在不同狀態之間的轉變以及分化過程中的關鍵變化，突破了傳統群體平均分析的局限。細胞的狀態和分化是一個動態而復雜的過程，涉及多種分子通路的相互作用，傳統的研究方法往往難以精準刻畫這一過程中不同細胞群體的轉錄特征和功能變化。而單細胞組學技術可以在單細胞水平捕捉細胞從一個狀態到另一個狀態的逐步變化軌跡，通過構建細胞發育的“時間序列”圖譜，揭示細胞分化過程中不同基因的時空表達模式。在追蹤細胞狀態變化時，單細胞組學可以幫助識別特定細胞群體的特征基因表達模式，揭示細胞從靜息狀態到活躍狀態或病理狀態的轉變。例如，通過基因表達譜的聚類分析，研究人員可以將處于不同狀態的細胞分為不同亞群，從而明確每個階段的特定分子特征，這種能力在研究細胞在外界刺激或疾病狀態下的應答機制中尤為重要，為進一步探索細胞狀態改變的調控因素提供了基礎。在分化研究中，單細胞組學能夠追蹤多能干細胞向特定細胞類型分化的全過程，精確解析每個分化階段的細胞特征和關鍵轉錄因子的作用。通過對大量單細胞數據的分析，可以構建細胞譜系樹或偽時間軌跡，從而揭示細胞命運選擇的分子機制和動態路徑。這種對細胞分化過程的細致刻畫，為理解組織發育和再生機制提供了重要信息，也為再生醫學和細胞治療的應用奠定了基礎。此外，單細胞組學技術還可以揭示分化過程中的稀有細胞類型或過渡態細胞，這些細胞在分化過程中可能扮演關鍵角色，但在傳統群體水平的研究中常被忽略。通過單細胞分辨率的數據，研究人員能夠識別這些稀有細胞的特性及其在分化路徑中的位置，進一步完善對分化過程的理解。

2.3 解析腸道微生物

除了揭示腸道細胞的特異性和功能差異外，腸道細胞單細胞分析還可以用于研究微生物組與腸道細胞的相互作用。飲食可以通過調節腸道微生物群，從而影響腸道健康，例如雙歧桿菌等有益菌可以激發腫瘤特異性T細胞反應，提高癌癥免疫療法的療效。食用植物性食品會增加有益腸道微生物群的豐度，進一步增強治療反應，但是在腸道中每個細胞具體如何發揮作用尚不清楚。通過分析單個腸道細胞的基因表達情況，可以了解微生物組如何影響腸道細胞的代謝和功能，如免疫反應、能量代謝和信號轉導等，這項技術還可以幫助識別與特定微生物群落相關的基因表達模式，從而為研究者提供了一種全新的方法，用于預測和預防腸道疾病。Gao Juan等通過共聚焦成像與單細胞分選和測序聯合使用，對體內由兩種熒光探針順序標記的小鼠腸道菌進行成像，使單個菌的生長模式表型和分類學身份之間的直接聯系成為可能。腸道微生物組是一個動態變化的生態系統，不同時間和個體之間的微生物組成和功能差異較大。因此，單細胞組學只能提供微生物組的部分靜態特征，無法完全反映其動態變化。在腸道疾病的研究中，單細胞組學能夠揭示腸道微生物群與宿主免疫系統之間的復雜互動，以及腸道屏障功能失調的分子機制。通過將單細胞基因特征分析與臨床前模型相結合，可以顯著提高臨床上篩選和開發新療法的能力。在許多疾病的治療過程中，尤其是腸道疾病和免疫相關疾病，治療策略的選擇至關重要。傳統的模型往往忽略了不同細胞類型間的復雜相互作用，而單細胞組學能夠填補這一空白，使得研究者能夠更精準地選擇最合適的臨床前模型，從而測試不同的治療策略并篩選出最有效的治療方案。此外，通過單細胞組學的使用還可以揭示腸道微生物群落中與腸道疾病發病相關的特定菌群，從而為開發新型益生菌藥物提供科學依據。

2.4 分析免疫反應

單細胞組學可以用于分析腸道疾病患者的免疫細胞，了解免疫細胞的異常反應和炎癥過程，為開發新型免疫治療提供思路。Wang Yalong等利用單細胞RNA測序探索人腸道不同部位的營養吸收偏好，發現人體小腸和大腸具有不同的營養吸收偏好，大腸中存在Paneth樣細胞。通過單細胞測序人體瞬時擴增細胞和杯狀細胞的潛在新標記基因得到鑒定，人和小鼠回腸上皮細胞景觀的共同和差異特征得到描繪。這將有助于研究膳食幫助某些病證的治療或輔助治療進行防病治病。Reales-Calderon等利用飛行時間流式細胞儀和單細胞轉錄組學技術的進步來表征接受維多珠單抗治療的IBD小鼠的腸黏膜，同時通過16S rRNA基因測序進行黏膜微生物群分析，并與宿主細胞動力學相關聯。在另一項研究中，通過單細胞RNA組學表征了B細胞和漿細胞的不同亞群，研究人員觀察到UC患者中IgG 1+漿母細胞增加，而健康對照中IgA 2+漿細胞升高。總之，這些單細胞RNA組學研究突出了發炎黏膜中B細胞的存在以及人IBD中漿細胞中IgG類別轉換的傾向。

Uzzan等在比較健康和UC患者時，從LP中分離出20 個B細胞簇，這些簇包括幼稚B細胞（IGHD、FCER 2和CD 72）、記憶B細胞（CD 27和TNFRSF 13 B）、非典型記憶B細胞（FCRL 5、FCRL 4和DUSP 4）、生發中心樣B細胞（AICDA、BCL 6和FAS）和基于免疫球蛋白基因表達的漿細胞群。此外，他們還檢測到了對表達IGHD、FCER 2和CD 72的幼稚B細胞簇具有特異性的IFN-γ特征，這表明UC中全身體液應答向促炎性IgG B細胞表型轉變。通過這些研究進展，單細胞轉錄組學已經成為IBD研究的重要工具。它不僅幫助學者深入理解上皮細胞、基質細胞和免疫細胞之間的復雜互動，還推動了新的細胞類型和潛在治療靶點的發現。免疫系統在疾病發生，尤其是癌癥免疫逃逸、感染以及自身免疫性疾病中的作用至關重要。通過對免疫細胞的基因表達進行單細胞分析，可以揭示免疫細胞在應對疾病時的異常反應、過度激活或免疫逃逸機制。隨著單細胞技術的進一步發展，預計在IBD的早期診斷、疾病分型以及個性化治療方面將發揮越來越重要的作用。通過這些研究成果，未來可能為IBD患者提供更為精準的治療策略，并推動新的療法的開發，以實現更好的治療效果和患者預后。

單細胞組學及其他技術聯合在腸道健康中的應用如表3所示。

03

單細胞組學技術的挑戰與未來展望

3.1 單細胞組學技術的挑戰

由于不同細胞類型和樣本之間的基因表達差異較大，單細胞組學技術難以完全涵蓋所有細胞類型的表達譜，可能存在一定的局限性。以單細胞轉錄組學為例，其程序主要包括單細胞分離和捕獲、細胞裂解、逆轉錄成cDNA、cDNA擴增和文庫制備。在單細胞懸液制備過程中，由于不可避免的自然現象、實驗操作和技術障礙，活細胞可能會出現死亡、細胞膜損傷或多細胞黏附。為了消除低質量細胞的基因表達干擾，有必要使用合適的工具進行第二輪質量控制，例如Seurat技術，該技術可以根據每個細胞中的基因數量、轉錄本的數量、線粒體基因的百分比和核糖體蛋白基因的百分比，將低質量的細胞篩選過濾掉。此外，單細胞組學中每個細胞是獨立樣品，每個細胞的測序深度和轉錄組捕獲速率均有不同，這些系統誤差和技術噪音使得原始表達矩陣不能直接用于下游分析，細胞之間的表達水平不具有可比性。因此在分析數據時，常常采取歸一化抵消技術噪聲或偏差，并確保每個單元格之間的可比性。單細胞轉錄組學技術還存在數據量較大、數據解讀難度大、實驗成本較高、基因表達差異等問題。另外，單細胞蛋白質組學技術也存在一些挑戰，如樣品的代表性和可控性、低豐度蛋白質的檢測、數據解讀難度大等。總的來說，單細胞組學技術面臨著數據量大、實驗過程復雜、成本較高、生物信息學分析難度大等挑戰，需要進一步發展和完善相關技術，并加強生物信息學的分析和解讀能力，以提高數據質量和研究精度。

3.2 單細胞組學技術在臨床轉化中的潛力

雖然單細胞組學技術尚不成熟，但是通過分析單個細胞的基因表達情況，科學家們可以揭示細胞的特異性特征、功能變化以及它們在不同生理和病理狀態中的角色，這種深層次的理解為研究人員提供了更精準的疾病診斷與治療方案。單細胞組學技術的出現，特別是在基因組學、轉錄組學、蛋白質組學等領域的應用，打破了傳統的群體細胞分析方法，能夠深入探究每一個細胞的特征，進而了解細胞之間的異質性。這種細胞層面的精細分析不僅揭示了個體細胞在健康和疾病狀態下的行為差異，還幫助研究人員更好地理解細胞如何相互作用，進而影響疾病的發生和發展。

這一技術的應用在多個領域取得了顯著的成果，特別是在疾病診斷和治療方面，單細胞組學可用于開發新型的生物標志物，這些標志物有望在疾病的早期階段被檢測出來，尤其是在腫瘤、神經退行性疾病、心血管疾病等的早期篩查中，通過在細胞水平上識別特定的基因表達變化，研究人員可以開發出更加個性化和精準的診斷工具，這些工具能夠比傳統的群體性檢測方法更早地發現疾病的征兆。通過單細胞技術分析腸道免疫細胞、上皮細胞和微生物群的動態變化，開發出能夠預測腸道疾病的早期標志物。例如，基于單細胞RNA測序分析，能夠發現某些免疫細胞亞群或上皮細胞的異常變化，為腸道疾病（如IBD、腸癌等）的早期診斷提供有力支持。Liu等通過單細胞RNA測序分析了IBD患者與健康個體的腸道細胞差異，為IBD的分子機制提供了新的見解。此外，腫瘤的單細胞組學分析不僅有助于發現與癌癥發生相關的特定基因表達模式，還能揭示腫瘤細胞的耐藥機制和轉移能力，從而為癌癥的早期預防和個性化治療提供支持。此外，單細胞組學在免疫治療領域的潛力也正在逐步被發掘。例如，腫瘤微環境中的免疫抑制性細胞（如Treg細胞、髓源抑制細胞等）可能通過改變免疫細胞的基因表達，抑制免疫系統的正常功能。單細胞組學能夠幫助揭示這些免疫細胞的具體特征，從而為免疫療法的發展提供新的思路和靶點。尤其是在腫瘤免疫治療中，單細胞技術的應用能夠幫助篩選出最適合的免疫治療策略，優化免疫檢查點抑制劑的使用，從而提高治療效果。在臨床前模型研究中，單細胞組學的應用尤為重要，將單細胞轉錄組學技術與臨床前模型相結合，能夠建立更加完整的疾病模型，涵蓋上皮細胞、基質細胞和免疫細胞等多種細胞類型，從而為研究人員提供全方位的疾病機制圖譜。這種多細胞類型的疾病模型能夠幫助人們理解不同細胞在疾病發生中的角色，以及它們如何相互作用導致疾病進展。這種基于單細胞分析的新型治療模式，既可以提高治療效果，也能夠縮短臨床試驗的周期，加速新療法的研發和應用。

總之，單細胞組學不僅為研究者提供了前所未有的細胞級別的基因表達數據，也為疾病的早期診斷、個性化治療和免疫治療的優化開辟了新的路徑。雖然單細胞技術在基礎研究中取得了顯著進展，但要實現其臨床轉化還需要經過長時間的驗證和臨床試驗。由于單細胞測序和相關技術需要昂貴的設備和技術支持，這使得其在一些小型實驗室和低資源環境中的應用受限。現階段，單細胞技術在臨床中的應用仍處于探索階段，如何將其高效轉化為可實際應用的臨床工具仍是一個難題。隨著技術的不斷進步和應用領域的拓展，單細胞組學將在疾病研究和臨床治療中發揮越來越重要的作用。

3.3 多組學聯合分析的潛力

現階段，單細胞組學與其他多種組學技術的聯合應用，正在為生物學和醫學研究開辟嶄新的天地。多組學聯合分析結合了基因組、轉錄組、蛋白質組、代謝組等多個層次的數據，從不同的角度全面揭示生物體的結構、功能變化及其在健康和疾病狀態中的表現。與單一組學方法相比，多組學聯合分析具有更強的綜合性和系統性，能夠為復雜生物體系提供更為深入的理解和更精準的解析。例如，單細胞組學可以揭示不同細胞類型之間的異質性，而蛋白質組學則能夠深入到蛋白質層面，了解細胞功能的實際表現，再通過代謝組學對細胞的代謝活動進行全面評估，這種多維度的分析能夠有效捕捉到生物體內部相互關聯的復雜機制。在臨床轉化研究中，多組學聯合分析具有巨大的應用潛力，特別是在疾病的診斷和治療策略開發方面，通過綜合分析多個組學層次的數據，研究人員能夠發現傳統單一組學分析難以揭示的生物標志物和潛在治療靶點，這些信息可以為疾病的早期診斷、精準分型和個性化治療提供更加全面和準確的支持。例如，在癌癥研究中，單細胞組學能夠揭示腫瘤細胞的轉錄模式，而蛋白質組學則有助于檢測腫瘤細胞的表型特征和功能狀態，代謝組學則能夠展示腫瘤細胞的代謝變化。將這些數據結合起來，能夠更準確地評估腫瘤的進展、治療反應以及預后，從而為癌癥的精準治療提供更有力的依據。此外，多組學分析還在疾病機制的研究中發揮著重要作用。許多疾病，尤其是復雜性疾病，如心血管疾病、神經退行性疾病、糖尿病等，通常涉及多個分子通路和系統的相互作用，而通過多組學聯合分析，研究人員可以系統地揭示不同組學層次之間的相互關系，進而了解疾病的發生、發展機制。例如，糖尿病不僅僅是代謝異常的體現，還與免疫、炎癥以及細胞信號傳導等多個生物學過程相關。通過結合基因組、轉錄組、蛋白質組和代謝組的數據，可以幫助揭示這些生物學過程如何在疾病發展中互相交織，從而為新型藥物和治療策略的研發提供更加精準的靶點和理論依據。盡管多組學聯合分析具有巨大潛力，但在實際應用中也面臨一些挑戰和局限性。首先，數據的整合和解讀是一個復雜的問題，不同組學之間的數據通常具有不同的格式、尺度和維度，需要通過有效的算法和技術手段進行整合。此外，樣本量和樣本類型的選擇也是一個限制因素，多組學分析需要大量的樣本和高質量的數據，而在某些疾病領域，尤其是罕見病的研究中，可能面臨樣本不足的問題。

3.4 未來單細胞組學技術在腸道健康研究中的發展趨勢

單細胞組學技術不僅限于傳統疾病的研究，還可以廣泛應用于營養學和食品科學等領域。通過分析食物攝入對人體的多層次影響，可以為食品添加劑和功能性食品的開發提供科學依據。例如，代謝組學可以揭示食物攝入后代謝產物的變化，而蛋白質組學和轉錄組學則能夠反映食物成分對基因和蛋白質表達的影響。結合這些數據，可以更加全面地理解食品對人體健康的作用機制，進而開發出有益健康的食品和添加劑。單細胞組學還可以用于開發新型的膳食治療腸道疾病的方法。例如，通過分析單個腸道細胞的基因表達情況，可以了解不同膳食成分對腸道細胞的影響，并發現可能有助于改善腸道健康的特定食物成分和組合。此外，單細胞組學還可以用于開發新型的益生菌藥物，通過分析腸道微生物組的基因表達情況，可以發現與特定益生菌相關的基因表達模式，從而為開發新型益生菌藥物提供科學依據。然而，單細胞組學由于不同實驗平臺和技術的差異，也可能影響數據的可比性和一致性，因此，選擇合適的技術平臺和實驗設計對于多組學分析至關重要。為了解決這些問題，研究人員正在開發更加高效的算法和方法，如數據挖掘、機器學習和人工智能等技術，來優化數據整合和分析過程。同時，跨學科合作和標準化技術平臺的建設也有助于克服這些技術挑戰，提高分析的準確性和可靠性。隨著技術的不斷發展和改進，單細胞組學技術將能夠更準確地分析單個腸道細胞的基因表達情況，并提高數據分析的效率。這將有助于更全面地了解腸道微生物組的特異性和功能差異，以及它們與宿主之間的相互作用。

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結 語

利用單細胞組學探究膳食治療腸道疾病的方法是一種具有廣闊應用前景的方法（圖1）。單細胞組學可以幫助識別膳食對腸道細胞的直接影響。膳食成分通過腸道上皮細胞、免疫細胞、基質細胞等多種細胞類型的相互作用，調控腸道的功能狀態，通過單細胞組學技術，可以觀察到在膳食干預下，腸道細胞的基因表達如何發生變化，哪些信號通路被激活或抑制，細胞功能是否恢復或增強。例如，單細胞轉錄組學可以揭示膳食成分如何調節腸道屏障功能、免疫應答和炎癥反應，從而為膳食干預在腸道疾病治療中的潛在作用提供證據。此外，單細胞組學能夠幫助研究人員深入了解腸道微生物群落的組成、功能和動態變化。腸道微生物群在腸道健康中扮演著至關重要的角色，膳食因素能夠顯著影響微生物群的結構和代謝功能，進而影響宿主的免疫反應、代謝功能和腸道屏障功能。通過單細胞轉錄組學技術，可以精確地分析腸道微生物群中不同細胞類型的基因表達，揭示膳食干預如何調控微生物群的活動及其對宿主的影響，這為開發基于膳食的微生物群調節劑、新型藥物以及功能性食品提供了科學依據。通過精細化的分析，還能夠發現哪些特定的膳食成分或食物組合能顯著改善腸道健康，調節微生物群落的多樣性，緩解腸道炎癥，從而為新型治療策略的研發提供重要信息。

盡管單細胞組學為膳食治療腸道疾病提供了許多有價值的信息，它仍然面臨一些挑戰和局限性。首先，樣本采集和處理的準確性非常關鍵。腸道微生物和腸道細胞群體的異質性較高，單細胞的采集和分離過程必須非常精細，以確保獲得的樣本能夠準確代表腸道的真實狀態。此外，腸道微生物群的動態變化也給單細胞組學分析帶來挑戰。膳食因素的短期和長期影響可能會導致微生物群的快速變化，因此如何在不同時間節點收集樣本，并準確追蹤膳食干預對微生物群的影響，是一項技術難題。此外，單細胞組學產生的數據量巨大且復雜，數據的解釋和解讀仍然是一個挑戰。由于數據的多維性和復雜性，如何將不同來源的單細胞數據整合起來，分析其相互關系，并從中提取出有意義的生物學信息，仍然需要依賴先進的算法和模型。此外，單細胞組學技術本身仍在不斷發展，如何優化技術流程，提高數據質量，以及提高數據分析的效率和準確性，都是未來研究中亟待解決的問題。

綜上所述，盡管單細胞組學在膳食治療腸道疾病中的應用具有巨大潛力，但在實際應用中仍需克服一些技術和方法上的挑戰。在未來，隨著技術的不斷進步，單細胞組學將更加精確地揭示膳食、腸道微生物群和宿主細胞之間的復雜相互作用，為腸道疾病的膳食干預、精準治療和新藥開發提供更加科學和有力的支持。

通信作者：

賀曉云副教授，中國農業大學食品科學與營養工程學院博導。主要從事食品功能因子功效評價與機制研究，功能食品開發及食品安全性評價。曾先后主持國家科技支撐計劃、轉基因生物新品種培育重大專項課題、科技創新2030、農業部農業轉基因生物安全檢測項目、農業部軟課題、河北省科技攻關、河南省科技攻關等縱向課題8 項，主持橫向課題10余項。以第一或通信作者發表學術論文50 篇，其中SCI論文40 篇；副主編教材5 部；獲得授權專利11 項；獲省級政府科技獎勵6 項；參與制修訂行業標準17 項；獲得省部級成果鑒定4 項。

第一作者：

徐彤曉，中國農業大學食品科學與營養工程學院博士研究生。主要研究方向食品安全、真菌毒素毒性與防控，以第一作者或共同作者在《Cell Biology and Toxicology》《Toxins》等SCI期刊上發表論文4 篇。

本文《單細胞組學技術在腸道健康中的研究進展》來源于《食品科學》2025年46卷第11期343-352頁，作者：徐彤曉，陳亞南，王健瑭，皇甫秉欣，班秋實，黃昆侖，賀曉云。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20241205-041。點擊下方閱讀原文即可查看文章相關信息。

實習編輯：李雄；責任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網