突破關鍵瓶頸！復旦大學賈慧玨團隊開發微生物組學新技術，首次實現復雜樣本內原位、高精度微生物單細胞測序

復旦大學賈慧玨團隊在國際知名學術期刊《Cell Genomics》發表一項突破性研究為微生物組學研究帶來了革命性的新工具。研究團隊成功開發并應用了一項基于激光誘導向前轉移（Laser-Induced Forward Transfer, LIFT）的技術，首次實現了在復雜樣本（如小鼠腸道、人類唾液乃至腫瘤組織切片）中原位、高精度地獲取單個微生物細胞，并完成高質量的基因組或轉錄組測序。該研究能直接在原生環境中剖析微生物“個體”的基因組藍圖與基因活動，為理解宿主-微生物互作、腫瘤微環境菌群及細菌細胞命運決定等前沿領域打開了全新視野。

圖形摘要

突破技術瓶頸

傳統的宏基因組學提供了微生物群落的“群體畫像”，但難以區分群體中單個細胞的異質性及其與宿主細胞的確切空間關系。尤其是對于腫瘤、胎盤等低生物量環境，或組織中占比極低的原位菌群，常規測序方法成本高昂且易受宿主DNA干擾。

LIFT技術巧妙地解決了這一難題。其原理類似于“細胞鑷子”：通過激光脈沖精確作用于載玻片上的薄層金屬涂層，產生的微力可將指定的單個微生物細胞（小至0.5微米）彈射到接收管中，而絲毫不傷及周圍細胞。該過程可結合熒光標記、細胞形態或拉曼光譜進行自動化識別與篩選，確保目標的唯一性。

高質量單細胞基因組：從唾液中直接獲取完整草圖

從唾液中獲取的高質量微生物單細胞基因組草圖

研究團隊首先從含有數百種細菌的人類唾液樣本入手。在顯微鏡下選定目標細菌后，LIFT技術可將其精準分離，隨后進行單細胞全基因組擴增與測序。結果顯示，由此獲得的單細胞組裝基因組質量極高。例如，從一個唾液樣本中獲得的 Megamonas funiformis單細胞基因組，完整度高達99.99%，污染率低至0.33%，其質量堪比實驗室純培養菌株的基因組，遠超常規單細胞基因組或宏基因組組裝結果。自動化平臺的引入，使得在一分鐘內可精準收集數十個目標細胞，并能覆蓋唾液菌群中的所有主要門類。

自動化微生物單細胞基因組學

揭秘細胞命運：單細胞轉錄組刻畫芽孢形成動態

通過形態、光譜及單細胞RNA轉錄組對處于孢子形成期的地衣芽孢桿菌細胞進行一致性分組

除了基因組，該技術在高精度單細胞轉錄組分析上也表現出色。研究以從人唾液分離的地衣芽孢桿菌為模型，利用檸檬酸誘導其形成芽孢。通過LIFT技術分選不同形態的單個細胞進行測序，研究人員成功描繪了芽孢形成過程中細胞命運的轉錄組動態圖譜。

研究發現，處于不同階段的細胞，其基因表達譜和拉曼光譜特征存在顯著差異。通過轉錄組分析，研究團隊鑒定出194個差異表達基因，并明確了在芽孢形成早期上調的基因與應激反應、孢子形成、水解酶活性等通路相關。更精細的分析甚至能將誘導第三天的細胞根據形態和轉錄組分為五類，每一類都展現出獨特的代謝與功能狀態。這揭示了微生物群體內部高度的功能異質性，而結合拉曼光譜的預篩選，可極大提高研究稀有細胞亞群的效率。

原位分析突破：直擊組織內微生物的基因活動

對組織中單個微生物的基因組測序

研究的最大亮點在于首次成功將單細胞組學分析直接應用于組織原位菌群。在小鼠模型中，研究人員通過灌胃熒光標記的D-氨基酸來標記活體腸道細菌的細胞壁，隨后在結腸組織切片中觀察并LIFT分選了粘液附近乃至宿主細胞內的單個熒光細菌，成功獲得了包括普雷沃菌、大腸桿菌、擬桿菌等典型腸道菌在內的中高質量單細胞基因組。

更具臨床意義的是，研究團隊將LIFT技術應用于一名結直腸癌患者的腫瘤組織切片。在未標記的情況下，通過形態觀察和拉曼光譜區分，研究人員精準定位并分選出了一個位于腸道黏膜上的、長約1.33微米的桿狀單細胞，基因組測序鑒定其為Bacteroides intestinalis（腸道擬桿菌）。研究者還從同一癌組織樣本中分選到另一個黏附在腸黏膜上的細菌單細胞，并成功進行了轉錄組測序，該細胞被鑒定為Bacteroides xylanisolvens（解木聚糖擬桿菌）。

對該單細胞轉錄組的深入分析揭示了其潛在的致病或代謝線索。值得注意的是，該患者有長達50年的吸煙史并伴有肺轉移，暗示了腫瘤內菌群可能參與尼古丁代謝等過程，與宿主疾病狀態存在潛在關聯。

對組織中單個微生物的轉錄組測序

研究意義與未來展望

這項LIFT技術的成功應用，標志著微生物單細胞組學進入了“原位”、“可視”、“精準”的新階段。術未來在探索腫瘤微環境菌群功能、慢性疾病與菌群關聯、抗菌素耐藥性傳播及環境微生物生態學等領域具有巨大潛力。通過直接“詢問”棲息在病變組織中的單個微生物“它在做什么”，有望為精準診療和新型療法開發提供全新的生物標志物和靶點。

https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(25)00384-2

【關于投稿】

轉化醫學網（360zhyx.com）是轉化醫學核心門戶，旨在推動基礎研究、臨床診療和產業的發展，核心內容涵蓋組學、檢驗、免疫、腫瘤、心血管、糖尿病等。如您有最新的研究內容發表，歡迎聯系我們進行免費報道（公眾號菜單欄-在線客服聯系），我們的理念：內容創造價值，轉化鑄就未來！

轉化醫學網（360zhyx.com）發布的文章旨在介紹前沿醫學研究進展，不能作為治療方案使用；如需獲得健康指導，請至正規醫院就診。

責任聲明：本稿件如有錯誤之處，敬請聯系轉化醫學網客服進行修改事宜！

微信號：zhuanhuayixue

★ 3月份熱門內容 ★

01

02

03

04

05

06