新的3-D可視化工具可以為囊性纖維化和其他疾病提供靶向藥物輸送

加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員開發(fā)出第一個(gè)用于將“'組學(xué)”數(shù)據(jù)映射到整個(gè)器官的3D空間可視化工具。該工具可幫助研究人員和臨床醫(yī)生了解化學(xué)物質(zhì)(如微生物代謝物和藥物)對(duì)居住在該地區(qū)的微生物背景下的病變器官的影響。該工作可以促進(jìn)針對(duì)囊性纖維化和藥物無法穿透的其他病癥的靶向藥物遞送。

由加州大學(xué)圣地亞哥分校Skaggs藥學(xué)和藥物學(xué)院教授Pieter Dorrestein博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)和加州大學(xué)圣地亞哥微生物組創(chuàng)新中心的領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)成員于10月19日在Cell Host&Microbe上發(fā)表了這項(xiàng)研究。。

人體器官的每個(gè)角落和裂縫都有自己的微生物組 - 微生物及其在特定環(huán)境中存在的基因。器官及其環(huán)境的解剖結(jié)構(gòu)(溫度，pH水平，營(yíng)養(yǎng)物可用性等)決定了存在哪些微生物。反過來，微生物響應(yīng)并影響治療劑的存在。

“我們對(duì)人體器官的化學(xué)和微生物組成的空間變化的理解仍然有限，”Dorrestein說。“這部分是由于人體器官的大小和變異性，以及我們從代謝組學(xué)和基因組學(xué)研究中獲得的大量數(shù)據(jù)。”

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，Dorrestein的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)開源工作流程，用于將代謝組學(xué)和微生物組數(shù)據(jù)映射到由放射圖像構(gòu)建的3D器官重建。

首先，研究人員從患有囊性纖維化的患者身上獲取肺部并對(duì)其進(jìn)行切片。他們分析了樣品中是否存在細(xì)菌，它們的代謝產(chǎn)物和毒力因子(增加細(xì)菌有效性的分子，使它們能夠在宿主中定居)，以及在治療期間給予患者的任何藥物。

接下來，當(dāng)時(shí)Dorrestein實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Neha Garg博士和Nuno Bandeira博士的加州大學(xué)圣地亞哥分校實(shí)驗(yàn)室的研究生Mingxun Wang修改了一個(gè)名為“ili”的現(xiàn)有Google Chrome擴(kuò)展程序來實(shí)現(xiàn)微生物組的可視化整個(gè)器官的代謝組分布。

“該應(yīng)用程序使用戶能夠?qū)?shù)據(jù)映射到2D或3D表面，因此我們修改了代碼，使我們不僅可以將豐度數(shù)據(jù)映射到曲面上，還可以映射到模型中，”現(xiàn)在是助理教授的Garg說。在喬治亞理工學(xué)院

為了可視化細(xì)菌和分子的空間定位，該團(tuán)隊(duì)采購了人類肺部的CT掃描圖像并對(duì)其進(jìn)行處理以生成3D模型。

隨著來自囊性纖維化肺的“組學(xué)”數(shù)據(jù)疊加在修改版“ili”的3D肺上，研究人員能夠進(jìn)行重要的觀察。

“我們可以看到，在收集組織之前給患者施用的一種抗生素沒有滲透到肺底 - 這是以前沒有觀察到的現(xiàn)象，”Garg說。“這與囊性纖維化相關(guān)病原體Achromobacter的豐度相關(guān)。因此，不同的藥物可能差異地穿透肺部，限制了有效劑量的暴露。我們的工具允許研究人員和臨床醫(yī)生在人體器官中可視化這一重要的臨床問題。第一次。這對(duì)治療CF和其他疾病有影響。“

研究人員創(chuàng)建了16,379個(gè)分子和56個(gè)微生物的開源圖譜，這些圖譜現(xiàn)在將成為科學(xué)家研究囊性纖維化和其他肺部相關(guān)疾病的資源。

“隨著未來研究更多地揭示微生物組和代謝組，它們的空間可視化將提供一種推斷其生物學(xué)意義的手段，”Dorrestein說。“此外，所開發(fā)的方法可以擴(kuò)展到任何人類器官 -特別是那些已知與其自身獨(dú)特的微生物組相關(guān)的腫瘤。”

該團(tuán)隊(duì)希望這項(xiàng)工作能夠幫助改善靶向給藥，這可以用來糾正抗生素的不良滲透。

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