研究亮点

越来越多的证据表明，代谢重编程对巨噬细胞的功能和驻留至关重要，但鲜少有报道在转录组学数据之外剖析体内组织特异性巨噬细胞群体的代谢表型。2023年9月，来自荷兰的科学家利用5激光Cytek^® Aurora全光谱流式细胞仪在单细胞和蛋白水平上研究了不同组织驻留的巨噬细胞在静息状态下以及在受到抗原刺激状态下的不同代谢情况。相较于传统的代谢分析方法，如Seahorse细胞能量代谢分析仪，它只能检测糖酵解、线粒体呼吸代谢途径的能量变化，无法同时检测多个代谢途径的变化，也无法检测不同免疫细胞亚群的代谢状态。这篇文章中基于流式高维多参数的分析方法能够超越传统代谢分析方法的限制，使研究人员能清楚了解不同免疫细胞亚群的代谢异质性以及不同的动力学水平。

 

 

研究背景

巨噬细胞是先天免疫系统的重要构成，分布在机体内的几乎每一个组织中。19世纪，巨噬细胞首次被免疫学家Ellie Metchnikoff发现并根据其吞噬和杀伤细菌的特性命名。时至今日，巨噬细胞已经被证明是一类能够在多种生理以及病理情况下发挥维持组织稳态、宿主防御及组织修复等功能的多能免疫细胞。近年研究显示，巨噬细胞的功能与细胞代谢密切相关。在来自不同外周器官的组织驻留巨噬细胞之间以及来自特定部位的巨噬细胞群体内都观察到不同的代谢谱。该篇文章的数据也表明，在腹腔巨噬细胞和小肠巨噬细胞的不同成熟阶段都表现出不同的代谢表型，以及在感染情况下，腹腔巨噬细胞表现出高度代谢活跃的特征，而肠巨噬细胞在其代谢表型上表现出较小的变化。

 

 

研究方法

 

 

表1：5激光29色小鼠全光谱流式方案

 

基于Cytek^® Aurora全光谱流式平台，研究人员设计了一个5激光29色的高维流式检测方案，方案中包含了10个代谢相关的蛋白，它们包括营养物质转运载体和代谢酶，这10个蛋白所涉及到的代谢途径包括，糖酵解途径；三羧酸（TCA）循环途径；脂肪酸合成途径(FAS)和氨基酸途径等。这篇文章中的高维流式检测方案是用于研究小鼠组织特异性巨噬细胞。由于抗体的交叉反应性，该方案也可以很容易直接平移用于人类组织特异性巨噬细胞的代谢表型研究。

 

 

全光谱流式方案中的代谢指标

研究结果

 

不同组织的驻留巨噬细胞表现出异质性的代谢表型

 

由于每个器官都有自己的代谢微环境，巨噬细胞必须根据驻留的部位进行代谢调节。因此文章中，作者比较了来自脑，腹腔（PEC）、肺、脾脏、肝脏、大肠和小肠7种组织的常驻巨噬细胞的代谢情况，以确定它们驻留的位置和代谢之间的潜在联系。通过代谢指标表达丰度的降维和主成分分析可视化结果，7种组织的巨噬细胞分别聚类成群。其中，小肠与大肠巨噬细胞表达呈现出一定的相似性，脾红髓巨噬细胞与肝脏Kupffer细胞亦然。脑部小胶质细胞除了GLUT1之外，其他指标均低表达；腹膜巨噬细胞除了CD98和CD36，其他指标均高表达（图1a-c）。值得一提的是，在每个组织驻留的巨噬细胞都可以通过降维聚类分析鉴定出多个簇，其中肠道巨噬细胞显示出最大的异质性（图1d-e）。

 

 

图1：不同组织的驻留巨噬细胞

表现出异质性的代谢表型

 

巨噬细胞对肠道蠕虫感染的代谢性反应

 

Heligmosomoides polygyrus（Hp）是一种肠道寄生虫，它会导致小肠固有层和腹膜腔的选择性激活。因此，作者研究了naïve和感染小鼠PEC和小肠固有层中巨噬细胞的代谢变化情况（图2a）。感染导致PEC 巨噬细胞中代谢酶的表达整体增加，而感染的小肠固有层巨噬细胞中仅观察到GLUT1 和ACC1的表达变化 (图2b)。因此，在Hp感染过程中同时分析PEC和小肠固有层中的巨噬细胞揭示了不同组织定位巨噬细胞代谢反应的异质性。

 

 

图2：巨噬细胞对肠道蠕虫感染的代谢性反应

 

异质性细胞的不同自发荧光特性在光谱解析中的影响

 

组织消化的细胞或者巨噬细胞具有很强的自发荧光（图3a），自发荧光的干扰一直是流式检测中所面临的一个挑战，较高水平的自发荧光会干扰相关阳性群体的分辨率。在文章中，作者特别提到，全光谱流式的一个优势在于能够对未染色的细胞发出的自发荧光进行检测并获得其全光谱特征，在需要的情况下，可以将这些自发荧光光谱作为一个单独的参数，从荧光数据中剔除出去，从而提高数据质量。作者发现在不同组织之间存在着不同的自发荧光特性，例如肺间质组织中，自发荧光的特征和染料BV510有很强的相似性（图3c），但是在肝脏组织中，巨噬细胞的自发荧光情况和Percp-efluor710有很强的相似性（图3d），利用全光谱流式识别不同组织中巨噬细胞的自发荧光的特性，然后分别进行扣除，显著提升了检测分辨率。

 

 

图3：异质性细胞的不同自发荧光特性在光谱解析中的影响

 

 

总结展望

利用高维多参数流式方案检测不同免疫细胞类型的代谢表型是一种相对较新的技术，它具有几个优势，包括高通量采集和解析低表达抗原的能力。我们的数据揭示了不同组织驻留巨噬细胞代谢具有的显著多样性，以及寄生虫感染期间不同部位的巨噬细胞代谢特异性变化情况。这些发现强调了基于全光谱流式的代谢靶点分析的优势， 并为进一步探索健康和疾病中组织常驻巨噬细胞群体的独特代谢特性和异质性奠定了基础。

 

Cytek^®Aurora系统最高可配置5激光67个检测通道，搭载专利的全光谱分析技术（Full Spectrum Profiling™，FSP™），广泛兼容流式荧光染料，一键轻松解决样本异质性自发荧光难题，满足科研机构、临床实验室、制药公司等流式客户各种应用场景的需求。

 

Cytek^®Aurora全光谱流式细胞仪

参考文献

Heieis, G.A., Patente, T.A., Almeida, L. et al. Metabolic heterogeneity of tissue-resident macrophages in homeostasis and during helminth infection. Nat Commun 14, 5627 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41353-z