免疫代谢研究进入单细胞时代

来源：BioArt

所有的生物过程都离不开代谢，近年来在免疫代谢领域的研究表明，与健康和疾病相关的特定的免疫功能与代谢过程息息相关。某些核心代谢过程的失调与许多疾病有关，包括癌症和慢性代谢性疾病，例如糖尿病、肥胖症、动脉粥样硬化和类风湿性关节炎。细胞获取的营养改变，氧气量的变化，信号因子的存在，以及与邻近细胞之间的互相干扰，都会诱导细胞代谢的改变，然后在特定的微环境中发挥作用导致一系列疾病的产生和发展【1,2】。为了充分了解细胞代谢对免疫系统和疾病进程的调节，研究人员需要探究免疫细胞通过代谢致使最终效应是怎么样的一个发展轨迹。而目前广泛开发中的各种单细胞分析技术可以帮助解决上述的问题。

近日，来自美国圣路易斯华盛顿大学的教授Maxim N. Artyomov 和荷兰阿姆斯特丹自由大学的Jan Van den Bossche教授共同在Cell Metabolism 发表题为 “Immunometabolism in the Single-Cell Era” 的观点文章，他们探讨了当前新兴的技术如何帮助我们进一步加深对免疫代谢调节的理解，并讨论了从最初的大量细胞(bulk) 到单细胞(single cell)免疫代谢图谱研究的进程与转变。

传统的bulk代谢研究包括细胞外通量分析（比如实时记录细胞外酸化率，ECAR和耗氧率，OCR作为代谢关键读数，并以此提供糖酵解和线粒体呼吸的间接测量），稳态代谢组学、通量组学（例如质量同位素异构体多光谱分析）。这些研究帮助我们了解了一些关键的免疫代谢的概念。多种免疫效应器的功能都依赖糖酵解途径。例如，糖酵解己糖激酶HK1, HK2, 3-磷酸甘油醛脱氢酶（GAPDH), 烯醇酶和丙酮酸激酶同工酶（PKM2) 都对免疫效应功能起着直接控制作用。糖酵解途径除了在炎症免疫效应细胞中起着显著作用外，对替代性巨噬细胞的激活和调节性T细胞（Treg）的诱导以及B细胞，T细胞糖酵解速率的差异也起着重要作用。磷酸戊糖途径（PPP)氧化分支产生的NADPH在免疫细胞中具有多种作用。中性粒细胞和炎性巨噬细胞利用PPP尤其是NADPH氧化酶产生活性氧来对抗传染源和感染因子。除此之外，下图还总结了不同免疫细胞相关的重要代谢过程。

为了进一步探究免疫细胞代谢过程，有以下几个需要重点考虑的方面。第一，需要从体内到体外进行验证。免疫细胞的代谢受到细胞生长环境的影响，因此如何完美复制免疫细胞在人体中的代谢，是我们在实验室进行体内或体外细胞代谢评估需要优先考虑的技术问题。第二，免疫细胞代谢的时空特性。当进行细胞分选和bulk的免疫代谢测量时，不可避免的将细胞群体平均化，由此掩盖了时间和环境变量对代谢的影响。所以我们需要搞清楚免疫细胞通过代谢转化为效应表型的动力学问题，从而确定哪些过程是原因，哪些过程是产生的结果。第三，利用不同的组学方法进行间接的代谢评估。例如将基因表达分析和蛋白质组学对代谢途径调控的分析与谢组学的数据结合起来分析【3】。之前有大量转录组学和蛋白质组学的研究描述了细胞代谢过程，这些经验表明，利用大量组学方法是免疫细胞代谢研究的重要发展方向。

特定的细胞代谢特征可以通过单细胞RNA测序(scRNA-Seq)分析得到，或者是通过专门的蛋白靶向谱来对体内细胞进行观测。例如，通过比较近期出版的和过去出版的文献中蛋白谱的重叠程度，我们可以得到一个包含10个代谢相关抗体的核心代谢组，这些抗体可以应用于多色流式细胞术，而功能更加广泛的代谢组可以通过单细胞质谱流式技术（CyTOF)获得更加详细的功能信息分析。尽管CyTOF和scRNA-Seq等方法可以观察到不同细胞亚群内的代谢重构等过程，但这些方法获取到的原始数据要么是间接的，要么涵盖的范围有限。因此为了推进这些技术的进步从而推动下一代免疫代谢研究，目前有两个主要的解决思路：1）改善体外细胞悬浮液单细胞水平分析的数据分析深度和质量；2）提高我们对代谢空间分布分析的能力（例如在组织切片内）（图 2）。接着，我们需要开发一系列新的计算方法来更新我们的数据生成技术。例如SCORPIUS计算方法可以帮助我们推断出伪时间顺序，从而给出代谢重组过程线性的时间顺序。

免疫细胞代谢正在迅速发展成为系统性的研究学科，因此需要多学科交叉才能充分将新技术用于其中的过程研究与分析。因此，为了成功地完全过度到单细胞免疫代谢的时代，计算技术的进步不仅在数据分析本身，而对实验免疫学家在免疫代谢研究过程中的可用性和可预见性方面都很重要。