寫Paper時(shí)我們經(jīng)常說字不如表，表不如圖，但百趣代謝組學(xué)的小趣覺得我們做組學(xué)分析經(jīng)常用到一些圖（如熱圖、網(wǎng)絡(luò)圖等）有的時(shí)候也不一定能展示出我們想要目的。

舉個(gè)例子：如果我們想看檢測(cè)到的代謝物種類及其含量在樣本中的空間分布是怎樣的。那這個(gè)要如何作圖呢？小趣最近就看到了一篇能解開這個(gè)謎底且非常interesting的文章（IF=17.872），文章題名：Three-Dimensional Microbiome and Metabolome Cartography of a Diseased Human Lung。

鑒于人體器官的大小和異質(zhì)性以及相關(guān)代謝組和微生物組的復(fù)雜性，導(dǎo)致科學(xué)家現(xiàn)在對(duì)整個(gè)人體器官的化學(xué)和微生物組成空間變化的理解仍然有限，所以該文章的作者們就開發(fā)了一個(gè)跨越性的研究流程，通過研究囊性纖維化（CF）患者肺代謝組與微生物組，將代謝組學(xué)和微生物組數(shù)據(jù)的制圖技術(shù)應(yīng)用到基于放射影像的三維（3D）器官重建中。

1研究方法

受試者：

1名41歲男性（囊性纖維化患者）

組織收集前注射抗生素美羅培南2天，注射哌拉西林5天，注射環(huán)丙沙星2天；阿奇霉素在組織采集前一個(gè)月停止給藥。

檢測(cè)平臺(tái)：

16s：illumina MiSeq

代謝組學(xué)：UPLC（UltiMate 3000）+ Q-TOF（Maxis）??

分析平臺(tái)：?

16s：QIIME v1.9, UCLUST算法

3D肺模型：InVesalius 3.0 , Geomagic Wrap, 'ili-β?

Molecular Network：GNPS平臺(tái), Cytoscape

Heatmap, pie charts：R包?

2研究流程

首先從公開的軟件InVesalius 3.0中導(dǎo)出CT-掃描圖像，然后組合起來(lái)創(chuàng)建一個(gè)3D肺模型。用3D建模軟件Geomagic Wrap除去胸部和背部對(duì)應(yīng)的像素，并一步步清潔模型以顯示出完整清晰的人肺部模型。

從肺尖開始每一個(gè)組織切片都進(jìn)一步被細(xì)分為1-2cm3的小切片，最終將左肺分成86個(gè)切片。通過Google Chrome擴(kuò)展程序 'ili-β，創(chuàng)建了將組學(xué)數(shù)據(jù)中的豐度映射到這些模型的方法；因?yàn)樵摴ぞ呤前凑蔗t(yī)院肺切片的方向進(jìn)行的，也即虛擬切片，利用這些虛擬切片和Geomagic Wrap的點(diǎn)坐標(biāo)特征，獲得從切片中切出的每個(gè)組織切片的物理x、y和z坐標(biāo)，這樣就可以將測(cè)得的對(duì)應(yīng)組織切片的代謝物/微生物豐度映射到模型中對(duì)應(yīng)的部分中，進(jìn)而在3D模型上展示代謝物/微生物的空間分布。

Figure 1. 3D Cartography Workflow for Mapping the Chemistry and Microbiome onto a Radiological Image

(A) The description of the workflow used to create 3D metabolome and microbiome organ maps from the observation matrix.

(B) The description of the workflow used for generating the metabolome and microbiome. (See also Figure S1.)

3代謝組

因本研究采用的是終末期CF肺，16s rRNA基因測(cè)序和分析發(fā)現(xiàn)，該時(shí)期假單胞菌占主導(dǎo)地位，且分布在肺部各處（95.8 - 99.9%），而喹諾酮類和鼠李糖脂是假單胞菌產(chǎn)生的毒性因子， 因此通過分離肺部假單胞菌進(jìn)行培養(yǎng)，再用代謝組學(xué)檢測(cè)體外培養(yǎng)的假單胞菌產(chǎn)生的喹諾酮類和鼠李糖脂，同時(shí)也對(duì)肺組織中的喹諾酮類和鼠李糖脂進(jìn)行了檢測(cè)。

結(jié)果顯示，在培養(yǎng)的分離物中檢測(cè)到的喹諾酮類和鼠李糖脂類的多樣性較大（分子網(wǎng)絡(luò)中的藍(lán)綠色節(jié)點(diǎn)），而在肺組織中直接檢測(cè)到的喹諾酮類的多樣性較小（橙色節(jié)點(diǎn)）。

這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了小分子在純培養(yǎng)中的潛在作用與患病器官中生物相關(guān)活性之間的脫節(jié)，說明這些分子很可能不是在宿主組織中產(chǎn)生、降解、清除或修飾。?

Figure 2. The Molecular Network Corresponding to Quinolones Produced by Pseudomonas?

Figure 3. The Molecular Network Corresponding to Rhamnolipids Produced by Pseudomonas

（橙色節(jié)點(diǎn)代表在肺組織和培養(yǎng)的微生物分離物中都檢測(cè)到的喹諾酮類化合物；藍(lán)綠色的節(jié)點(diǎn)是僅在培養(yǎng)的微生物分離物中檢測(cè)到的喹諾酮類化合物。3D圖中在左肺上進(jìn)行了定位，紅色的豐度最高，藍(lán)色的豐度最低，節(jié)點(diǎn)內(nèi)的數(shù)字表示m/z。）

百趣代謝組學(xué)解讀，為了可視化外源性物質(zhì)，微生物分子和宿主分子的分布，作者通過質(zhì)譜檢測(cè)獲得的分子豐度的相對(duì)定量生成了肺部3D代謝組學(xué)圖。屬于不同結(jié)構(gòu)類別和來(lái)源（宿主、微生物和外來(lái)生物）的選擇分子的分布如Figure 4所示。

結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)相關(guān)或相似的物質(zhì)，例如兩種三糖，分布特征是相同的；相反，結(jié)構(gòu)不相關(guān)的分子分布是有差異的。例如，沙丁胺醇（Albuterol）（一種吸入式的支氣管擴(kuò)張劑）的分布模式與靜脈內(nèi)注射的抗生素則完全不同（Figure 5），這可能提示我們吸入式的藥物相對(duì)靜脈注射的藥物來(lái)說，在肺組織中并沒有那么好的滲透性。

百趣代謝組學(xué)解讀，在抗生素滲透性研究中，發(fā)現(xiàn)抗生素美羅培南、哌拉西林及其代謝產(chǎn)物去乙基哌拉西林不滲透到肺的底部，而抗生素環(huán)丙沙星和阿奇霉素（azithromycin）的代謝物阿奇霉素德糖胺（descladinose-azithromycin）則均勻進(jìn)入到肺部中（Figure 5）。該方法能直接可視化抗生素在整個(gè)患病的人體器官中的滲透，進(jìn)一步研究這些對(duì)肺部的影響將有助于建立預(yù)測(cè)模型來(lái)解釋抗生素失效。

Figure 4. Distributions of Selected Features Identified Using Molecular Networking

Figure 5. Distributions of Antibiotics and Their Breakdown Products throughout the Lung

4微生物組

16s測(cè)序結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一些數(shù)量較少的微生物，包括無(wú)色菌(0%-2.6%)、普氏菌(0%-0.2%)、嗜血桿菌(0%-0.8%)、葡萄球菌(0%-0.02%)、寡養(yǎng)單胞菌(0%-0.4%)也被檢測(cè)到了（Figure 6），通過微生物分布3D圖實(shí)現(xiàn)了微生物共定位的可視化。

Figure 6. The Distributions of Various Genera

同時(shí)，比較了微生物空間分布和分子空間分布的關(guān)系，特別是毒性因子和抗生素。發(fā)現(xiàn)，喹諾酮類物質(zhì)或鼠李糖脂類物質(zhì)的存在與假單胞菌沒有很強(qiáng)的相關(guān)性，假單胞菌在肺中大量存在并產(chǎn)生這些分子（圖7A）。與喹諾酮類和鼠李糖脂類不同，不同抗生素的空間相關(guān)性不強(qiáng)，但美羅培南和無(wú)色桿菌的分布具有很強(qiáng)的相關(guān)性（圖7B）。百趣代謝組學(xué)解讀，這一結(jié)果表明，細(xì)菌可以持續(xù)存在于肺中抗生素滲透劑量低的區(qū)域，從抗生素抗性發(fā)展的角度來(lái)看，則是一個(gè)重要的臨床問題?？股夭粫?huì)穿透整個(gè)肺，這可能會(huì)使耐藥性的產(chǎn)生變得更容易，然后傳播到肺的其他區(qū)域。

Figure 7. Mapping the Relationships between Microbes and Microbial Molecules and Xenobiotics

以上則是小趣為大家分享的關(guān)于該文章的主要內(nèi)容，該方法為一個(gè)完整器官的代謝組和微生物組提供了全面的視野。此外，本文開發(fā)的方法還可以擴(kuò)展到任何人體器官（特別是具有腫瘤的器官），已知與其自身獨(dú)特的微生物組相關(guān)聯(lián)并且映射，和關(guān)聯(lián)各種其他類型的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)，例如宏基因組和轉(zhuǎn)錄組。

可能有的小伙伴認(rèn)為，完整人體器官的獲得那么困難，會(huì)對(duì)這種方法的使用帶來(lái)局限性，但我們可以以此類推，想想是不是在模式動(dòng)物或植物中也可以用該方法做創(chuàng)新研究呢？那想象的空間及創(chuàng)新思路就留給需要的小伙伴們啦！