佐治亚理工学院和埃默里大学的研究人员开发了一种细胞内工具包，用于研究干细胞内细胞器的多样性和信息传递。该工具包包括快速亚细胞蛋白质组成像和多重免疫荧光技术，使他们能够绘制细胞器组织图，并确定哪种细胞类型最适合治疗各种疾病。在随后的一项研究中，他们结合机器学习和空间转录组学分析了单细胞中多个相邻RNA分子的空间组织，从而深入了解了RNA-RNA邻近性对准确划分细胞类型的重要性。

研究人员开发了一种细胞内工具包，结合快速蛋白质组成像、免疫荧光技术和空间转录组学，研究干细胞内的细胞器信息传递和多样性。该工具包可实现更准确的细胞类型分类，并通过识别和分离不同的干细胞亚群改进个性化细胞疗法。

细胞器是细胞内RNA和蛋白质的一些片段，在人类健康和疾病中发挥着重要作用，如维持体内平衡、调节生长和衰老以及产生能量。细胞器的多样性不仅存在于细胞类型之间，也存在于单个细胞之间。研究这些差异有助于研究人员更好地了解细胞功能，从而改进治疗各种疾病的疗法。

在佐治亚理工学院和埃默里大学库尔特生物医学工程系的Bernie Marcus早期职业教授（Early Career professor）Ahmet F. Coskun实验室的两篇论文中，研究人员用细胞内工具包检查了一种特定类型的干细胞，以确定哪些细胞最有可能产生有效的细胞疗法。 “为了有助于更好地治疗疾病，我们正在研究细胞器在细胞内的位置以及它们如何传递信息。”Coskun说。“我们最近的工作提出使用细胞内工具包来绘制干细胞中细胞器的生物地理图，这可能会带来更精确的疗法。”

空间细胞器网络在幼年（UC）和成年（BM）干细胞中不相同。细胞器标记物的多重蛋白质组标记揭示了细胞器的信息传递。多个细胞器在不同面板中的三维渲染图像。资料来源：佐治亚理工学院

创建亚细胞组学工具包

第一项研究发表在《自然》（Nature）子刊《科学报告》（Scientific Reports）上，研究对象是间充质干细胞（MSCs）。这些细胞为修复有缺陷的细胞或调节患者的免疫反应方面历来提供了比较有前途的治疗方法。在一系列实验中，研究人员通过快速的亚细胞蛋白质组成像创建一种数据驱动的单细胞方法，从而实现个性化的干细胞治疗。

随后，研究人员采用了一种快速多重免疫荧光技术，使用针对特定细胞器设计的抗体。通过荧光抗体，他们追踪波长和信号，以编译许多不同细胞的图像，从而绘制出图谱。通过这些图谱，研究人员可以看到类似细胞中细胞器接触的空间组织和地理分布，从而确定哪种细胞类型最适合治疗各种疾病。

“干细胞通常用于修复有缺陷的细胞或治疗免疫性疾病，但我们对这些特定细胞的微观研究表明它们之间的差异有多大。”Coskun说，“这证明，在选择组织来源时，应考虑患者治疗人群、干细胞特征及其生物能细胞器功能的定制分离。换句话说，在治疗特定疾病时，根据患者的需要从不同位置采集同种类型的细胞可能会更好。”

RNA-RNA接近度很重要

在本周发表在《细胞报告方法》（Cell Reports Methods）杂志上的下一项研究中，研究人员将工具包向前推进了一步，研究了单个细胞中多个相邻RNA分子的空间组织，这对细胞功能很重要。研究人员将机器学习与空间转录组学相结合，开发出了这一工具。他们发现，与只分析基因表达相比，通过分析基因接近度的变化来对细胞类型进行分类更为准确。

“分子之间的物理相互作用创造了生命，因此，这些分子的物理位置和邻近程度发挥着重要作用。”Coskun说，“我们在每个细胞的不同地理部位创建了一个亚细胞基因邻近网络的细胞内工具包，以仔细研究这一点。”

实验由两部分组成：开发算法的和在实验室做实验。研究人员研究了已发表的数据集和一种根据物理位置对RNA分子进行分组的算法。这种“最近邻域”算法有助于确定基分组。为了更容易在单细胞中找到它们，研究人员用荧光标记RNA分子。随后从RNA分子的分布中发现了许多特征，比如基因可能位于类似的亚细胞的位置。

细胞疗法需要许多表型高度相似的细胞，如果治疗细胞中存在未知细胞亚型，研究人员就无法预测这些细胞注入患者体内后的行为。有了这些工具，就能鉴定出更多同类型的细胞，并分离出具有不常见基因编码的独特干细胞亚群。

“我们正在扩展分子亚细胞空间组织的工具包，该工具包可以看作亚细胞空间空间组学领域的‘瑞士军刀’。”Coskun说，“我们的目标是测量、量化和模拟每个细胞中具有多种功能的多个独立但又相互关联的分子事件。最终目的是确定细胞的功能，从而实现高能量、乐高式模块化基因邻域网络和多样化的细胞决策。”

参考资料：

《单细胞中亚细胞空间解析基因邻域网络》，作者：Zhou Fang、Adam J. Ford、Thomas Hu、Nicholas Zhang、Athanasios Mantalaris、Ahmet F. Coskun，2023年5月12日，Cell Reports Methods。DOI: 10.1016/j.crmeth.2023.100476

《单细胞中的空间亚细胞器网络》，作者：Mythreye Venkatesan、Nicholas Zhang、Benoit Marteau、Yukina Yajima、Nerea Ortiz De Zarate Garcia、Zhou Fang、Thomas Hu、Shuangyi Cai、Adam Ford、Harrison Olszewski、Andrew Borst、Ahmet F. Coskun，2023年4月1日，Scientific Reports。DOI: 10.1038/s41598-023-32474-y

这项研究由佐治亚理工学院的再生工程与医学以及美国国家科学基金会（NSF）细胞技术工程研究中心（CMaT）资助。

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来源：SCITechDaily.com
标题：The Inner Workings of Stem Cells: A Game-Changer for Personalized Medicine