《食品科学》：中国农业大学贺晓云副教授等：单细胞组学技术在肠道健康中的研究进展

肠道负责从食物中吸收营养物质，肠道健康对机体消化至关重要，健康的肠道内层需要有效吸收必需的维生素、矿物质和其他营养物质，以保持整体健康。

单细胞测序技术是一个多维度、多层次的研究体系，是在单个细胞水平上对细胞内的各种生物分子进行高通量测序分析的技术，包含单细胞基因组测序（scDNA-seq）、单细胞转录组测序（scRNA-seq）、单细胞蛋白质组学和单细胞表观遗传学分析等，它能够揭示单个细胞的基因结构和基因表达状态，从而反映细胞间的异质性。这一技术在肿瘤研究、发育生物学、微生物学以及神经科学等多个领域发挥了重要作用，同时它可以实时监测肠道微生物群落的动态变化，也可以用于开发新型益生菌食品添加剂，帮助改善肠道健康，增强免疫功能，预防肠道疾病，帮助研究人员更好地理解饮食、药物或其他因素对肠道微生物群落的影响，成为生命科学研究的焦点。

中国农业大学食品科学与营养工程学院的徐彤晓、贺晓云*，中国农业大学动物医学院的陈亚南等人概述单细胞组学技术分类及在肠道健康中的应用，解析肠道细胞间细微的差异，揭示肠道生理功能和免疫机制的复杂性，为预防和诊断肠道疾病提供新的思路。

01

单细胞组学技术

1.1 单细胞基因组和转录组测序

单细胞基因组和转录组技术是对单个细胞DNA和RNA进行平行分析，从而使体细胞变异和基因表达差异联系起来。目前已经开发了多种方法进行基因组和转录组的单细胞多组学分析，包括单细胞基因组与转录组测序、基因组DNA-mRNA测序及Target测序等。scDNA-seq是通常对数千到数百万个细胞的DNA含量进行匀浆，研究单个个体或少数个体细胞DNA的技术和方法。这种技术可以提供高分辨率和高精度的基因组图谱，揭示基因组的复杂性和多样性，为进一步研究基因表达调控机制和遗传疾病的发生机制提供重要数据。scDNA-seq还可以与其他单细胞技术如scRNA-seq等技术联合使用，实现优势互补，提高研究精度和全面性。scRNA-seq是对单个细胞的整个转录本进行测序，研究单个细胞转录层面的表达信息，需要分离和裂解单个细胞，将其RNA转化为cDNA，并扩增cDNA以生成高通量测序文库。scRNA-seq的平台有很多，常用的包括10x Genomics、BD Rhapsody、Fluidigm C1和Bio-Rad等。其中10x Genomics单细胞转录平台因其成本效益和通量优势而被广泛使用，是最常见的一种scRNA-seq方法。scRNA-seq通过测定单个细胞中的mRNA表达谱来研究细胞类型、细胞状态以及细胞间相互作用等，主要实验步骤包括制备单细胞悬液、分离单个细胞、捕获其mRNA、进行反转录和核酸扩增以及构建转录组文库。通过单细胞测序技术，可以获取每个肠道细胞的基因表达谱，从而揭示肠道细胞的特异性和功能差异。Baghdadi等利用单细胞RNA测序确定肠神经胶质细胞（EGCs）作为干细胞生态位的作用，分析小鼠和人类肠黏膜组织，捕获了25 327 个细胞，通过分析发现EGCs在稳态和慢性IBD中具有异质性调控，肠道干细胞的修复潜力是由一个特定的胶质纤维酸性蛋白（GFAP）和EGCs亚群调节。肠道干细胞损伤会诱导GFAP和EGCs的扩张，GFAP和EGCs通过表达多种无翅相关整合位点配体（WNT）促进含富含亮氨酸重复序列的G蛋白偶联受体5表达以及肠道干细胞的自我更新。

由于不同细胞类型和样本之间的基因表达差异较大，单一的单细胞组学技术难以完全涵盖所有细胞类型的表达谱，可能存在一定的局限性。为了克服这些缺陷，单细胞基因组学和转录组学联合使用成为了一种趋势。当单细胞测序与同步细胞表型分析相结合时，可以保留有关不同细胞类型中存在的体细胞突变的信息，通过将单细胞基因组学和转录组学数据进行整合，构建单细胞级别的基因表达图谱和基因调控网络，为深入研究基因表达调控机制提供有力支持。

1.2 单细胞蛋白质组学

单细胞蛋白质组学是指在单个细胞水平上分析其蛋白质组成和表达水平的技术，包括单个细胞内蛋白质的组成、丰度和修饰状态等，这项技术的发展使得人们能够更精确地了解细胞的功能状态、信号传导途径以及细胞间的异质性，发现新的蛋白质标志物，用于疾病的诊断和分型。例如成年人肠道长度长达9 m，不同部位存在结构和功能的巨大差异。为了更好地了解这些差异，Hickey等用单细胞原位空间蛋白质组学技术、单核RNA测序以及开放染色质测定对来自9 个供体的8 个不同肠道部位的单细胞组织结构进行了深度解析。研究人员通过PhenoCycler-fusion单细胞原位空间蛋白质组学技术对组织切片上的54 个蛋白标志物进行原位成像，分析了总计270万 个单细胞，鉴定了25 种细胞类型，包括基质细胞、免疫细胞和上皮细胞，以比较不同组织区域的细胞组成和结构，并进行深度的空间表型分析。该项研究在单细胞水平绘制了肠道组织的空间细胞图谱，揭示了肠道组织不同部位的广泛细胞复杂性和异质性。除此之外，单细胞蛋白组学可以对单个细胞进行蛋白质表达、翻译和降解等过程的深度测序和分析，能够通过检测到蛋白质的整体表达谱，提供更全面的细胞功能信息，其中包括关键的分泌、代谢和信号转导蛋白质，从而更全面地揭示肠道细胞的生理状态和功能。单细胞蛋白组学还可以揭示蛋白质的降解途径，包括内源性酶和外源性酶的作用，这对于理解肠道细胞的稳态调节和功能维持具有重要意义。

1.3 单细胞表观遗传测序

单细胞表观遗传测序是一种新兴的技术，旨在揭示单个细胞内的表观遗传修饰模式，这些修饰不改变DNA序列本身，但影响基因的表达方式。表观遗传学在发育、疾病发生以及环境因素对生物体影响的研究中扮演着重要角色。目前虽然已知癌细胞可能源于驱动致癌作用的基因突变，但许多类型的肿瘤缺乏强大的遗传驱动因素，无法解释重要的恶性过程。单细胞表观遗传测序技术可以提供关于细胞内基因调控机制的详细信息，包括DNA甲基化、组蛋白修饰等，从而更全面地揭示细胞基因表达调控的机制，更好地理解细胞多样性和复杂性。这类技术包括单细胞甲基化测序、单细胞染色质可及性测序、单细胞染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）等，用以研究单细胞水平上的表观遗传修饰及其对基因调控的影响。Rotem等基于ChIP-seq方法结合微流控和DNA条形码技术，实现了对数千个单细胞的测序分析，这种方法显著提高了单细胞表观遗传学研究的通量和效率。此外，通过比较正常和患病肠道细胞的表观遗传修饰，单细胞表观遗传学可以发现与疾病相关的表观遗传标记物，为疾病的诊断和分型提供新的视角。

然而，单细胞表观遗传学只能提供单个细胞的数据，不能反映整个细胞群体的表型差异，这可能会影响对整体表型差异性的评估。此外，单细胞表观遗传学的应用范围有限，目前主要应用于一些特定的组织和细胞类型的研究，对于一些特殊样本如组织切片、细胞培养等可能存在一定的限制。而且癌症这种复杂的生物系统无法通过批量探索或检查单个信息层完全理解。因此，单细胞表观遗传学在应用中需要进一步完善相关技术，以单个细胞分辨率整合不同的组学以破译驱动癌症发展和进展的机制和调节异质性至关重要，同时加强生物信息学的分析和解读能力，以提高数据质量和研究精度。

表1总结了单细胞不同技术在肠道健康中的应用及相关结果分析。

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单细胞组学技术在肠道健康中的应用

2.1 识别肠道细胞类型

IBD是指原因不明的一组非特异性慢性胃肠道炎症性疾病，主要包括UC、克罗恩病（CD）和未定型结肠炎（IC），其发病机制涉及多个因素，包括肠道微生物群落的改变、肠道细胞的异常反应和免疫系统的失调等。

Holloway等对葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎小鼠肠道活细胞进行单细胞RNA组学分析，鉴定了15 个簇，如表2所示，包括肠上皮内分泌细胞、肠吸收分泌细胞和内皮细胞等，然后在每个采样时间点对每个簇中的细胞数进行计数来评估细胞组成的变化，发现上皮细胞、基质细胞、肌成纤维细胞、间质细胞和EGCs的数量随着炎症的发生而减少，差异表达基因分析表明，在所有时间点的单核吞噬细胞和基质细胞簇表型都发生了变化，同时也发现干扰素-γ（IFN-γ）在T细胞簇内的内表达与炎症进程具有时间相关性。这些研究表明单细胞RNA组学技术可广泛应用于多个患者队列研究，为识别新型细胞类型、阐明细胞间相互作用和构建IBD发病机制的新假设提供技术支持。Jaeger等运用单细胞RNA测序技术研究肠炎患者肠道免疫系统的状态，发现肠道上皮内淋巴细胞（IEL）包含几个独特的T细胞亚群，包括表达视黄酸相关孤儿受体γ亚型T（RORγT）的自然杀伤细胞p30相关蛋白（NKp30）γδ T细胞，并在NKp30参与过程产生白介素（IL）-26。研究还发现，患者炎症组织中激活的Th17细胞增多，而CD8+ T细胞、γδ T细胞、T细胞和调节性T细胞（Treg）的数量减少。此外，跨壁炎症和IEL中γδ T细胞数量减少以及IEL和淋巴细胞（LP）中T细胞亚群的空间分布之间存在潜在联系。

肠道是一个复杂的生态系统，包含上皮细胞、免疫细胞、基质细胞、内皮细胞、神经细胞等多种细胞类型，这些细胞类型在维持肠道的屏障功能、免疫反应、营养吸收等方面发挥着至关重要的作用。然而，肠道细胞的多样性使得传统的群体分析方法难以揭示各类细胞之间的功能差异和相互作用。单细胞组学技术则能够在单细胞水平上揭示这些细胞的特异性基因表达模式，识别出不同细胞类型、亚型和状态，从而为构建更加精细的肠道细胞图谱。通过单细胞组学，研究人员能够识别和描述那些在传统方法中难以分辨的细胞亚群。这不仅提供了更加全面的肠道细胞组成图谱，还为探索肠道在健康和疾病状态下的功能变化提供了基础。例如，肠道内某些稀有细胞群体，虽然在整体细胞群体中占比微小，但可能在肠道免疫反应或修复机制中发挥关键作用，单细胞组学能够有效地揭示这些细胞群体的存在及其生物学功能。此外，单细胞技术还可以帮助理解细胞间的相互作用及其在肠道微环境中的动态变化。肠道内的细胞并不是孤立存在的，它们通过信号通路相互作用，共同维持肠道的功能稳定。在肠道上皮细胞中，磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B信号通路参与细胞增殖、迁移、侵袭和上皮间质转换，在维持肠道稳态和抵御感染中发挥重要作用，Wnt信号通路参与细胞的增殖、分化和迁移，影响肠道上皮细胞的正常发育过程，Notch信号通路在肠道发育和细胞分化中起到重要作用，能调控细胞的命运。在IBD等疾病的研究中，单细胞组学能够揭示细胞间的功能失调和相互作用的异常，为疾病机制的探索和新的治疗策略的制定提供了有力的工具。通过单细胞组学分析，可以发现与IBD发病相关的基因和信号通路，为开发新型药物和食品添加剂提供科学依据。

2.2 追踪细胞状态和分化过程

肠道细胞状态在维持肠道稳态和健康中起着至关重要的作用，通过单细胞测序技术，可以揭示肠道细胞的特异性和功能差异，分析如何分化为各种功能性细胞类型，以及在疾病状态下这种过程的变化对肠道稳态的影响。

Fawkner-Corbett等运用单细胞RNA测序和空间转录组学技术，探讨了肠道形态随时间变化的特征，分析了不同发育时间点和组织位置的胚胎肠道样本，确定了101 个细胞状态，包括上皮和间充质细胞群，以及与关键形态发生过程相关的变化。研究还描述了隐窝-绒毛轴的形成，神经、血管和间充质的形态发生，以及发育中的肠道免疫群体，确定了成纤维细胞和成肌纤维细胞亚型的分化层次及其功能，揭示了Peyer斑和肠道相关淋巴组织的起源，并描述了特定位置的免疫程序。Pelka等也利用单细胞RNA测序探讨癌症免疫反应的调控规则，发现结直肠肿瘤中存在广泛的转录和空间重构。不同细胞类型的表达程序在受影响个体的肿瘤中共同变化，是恶性细胞和免疫细胞相互作用的枢纽。肿瘤内存在一个富含MMRd（错配修复缺陷）的免疫中心，其中含有活化的T细胞，以及表达T细胞吸引趋化因子的恶性细胞和骨髓细胞。结合单细胞测序有助于识别关键的基因表达模式和转录因子，为研究肠道细胞的分化、发育和功能调节提供新的视角，这有助于研究人员更深入地了解某些基因在维持肠道健康中的作用。

单细胞组学技术通过对单个细胞的基因表达、表观遗传修饰或蛋白质组学特征进行高分辨率的测量，使研究人员能够捕捉到细胞在不同状态之间的转变以及分化过程中的关键变化，突破了传统群体平均分析的局限。细胞的状态和分化是一个动态而复杂的过程，涉及多种分子通路的相互作用，传统的研究方法往往难以精准刻画这一过程中不同细胞群体的转录特征和功能变化。而单细胞组学技术可以在单细胞水平捕捉细胞从一个状态到另一个状态的逐步变化轨迹，通过构建细胞发育的“时间序列”图谱，揭示细胞分化过程中不同基因的时空表达模式。在追踪细胞状态变化时，单细胞组学可以帮助识别特定细胞群体的特征基因表达模式，揭示细胞从静息状态到活跃状态或病理状态的转变。例如，通过基因表达谱的聚类分析，研究人员可以将处于不同状态的细胞分为不同亚群，从而明确每个阶段的特定分子特征，这种能力在研究细胞在外界刺激或疾病状态下的应答机制中尤为重要，为进一步探索细胞状态改变的调控因素提供了基础。在分化研究中，单细胞组学能够追踪多能干细胞向特定细胞类型分化的全过程，精确解析每个分化阶段的细胞特征和关键转录因子的作用。通过对大量单细胞数据的分析，可以构建细胞谱系树或伪时间轨迹，从而揭示细胞命运选择的分子机制和动态路径。这种对细胞分化过程的细致刻画，为理解组织发育和再生机制提供了重要信息，也为再生医学和细胞治疗的应用奠定了基础。此外，单细胞组学技术还可以揭示分化过程中的稀有细胞类型或过渡态细胞，这些细胞在分化过程中可能扮演关键角色，但在传统群体水平的研究中常被忽略。通过单细胞分辨率的数据，研究人员能够识别这些稀有细胞的特性及其在分化路径中的位置，进一步完善对分化过程的理解。

2.3 解析肠道微生物

除了揭示肠道细胞的特异性和功能差异外，肠道细胞单细胞分析还可以用于研究微生物组与肠道细胞的相互作用。饮食可以通过调节肠道微生物群，从而影响肠道健康，例如双歧杆菌等有益菌可以激发肿瘤特异性T细胞反应，提高癌症免疫疗法的疗效。食用植物性食品会增加有益肠道微生物群的丰度，进一步增强治疗反应，但是在肠道中每个细胞具体如何发挥作用尚不清楚。通过分析单个肠道细胞的基因表达情况，可以了解微生物组如何影响肠道细胞的代谢和功能，如免疫反应、能量代谢和信号转导等，这项技术还可以帮助识别与特定微生物群落相关的基因表达模式，从而为研究者提供了一种全新的方法，用于预测和预防肠道疾病。Gao Juan等通过共聚焦成像与单细胞分选和测序联合使用，对体内由两种荧光探针顺序标记的小鼠肠道菌进行成像，使单个菌的生长模式表型和分类学身份之间的直接联系成为可能。肠道微生物组是一个动态变化的生态系统，不同时间和个体之间的微生物组成和功能差异较大。因此，单细胞组学只能提供微生物组的部分静态特征，无法完全反映其动态变化。在肠道疾病的研究中，单细胞组学能够揭示肠道微生物群与宿主免疫系统之间的复杂互动，以及肠道屏障功能失调的分子机制。通过将单细胞基因特征分析与临床前模型相结合，可以显著提高临床上筛选和开发新疗法的能力。在许多疾病的治疗过程中，尤其是肠道疾病和免疫相关疾病，治疗策略的选择至关重要。传统的模型往往忽略了不同细胞类型间的复杂相互作用，而单细胞组学能够填补这一空白，使得研究者能够更精准地选择最合适的临床前模型，从而测试不同的治疗策略并筛选出最有效的治疗方案。此外，通过单细胞组学的使用还可以揭示肠道微生物群落中与肠道疾病发病相关的特定菌群，从而为开发新型益生菌药物提供科学依据。

2.4 分析免疫反应

单细胞组学可以用于分析肠道疾病患者的免疫细胞，了解免疫细胞的异常反应和炎症过程，为开发新型免疫治疗提供思路。Wang Yalong等利用单细胞RNA测序探索人肠道不同部位的营养吸收偏好，发现人体小肠和大肠具有不同的营养吸收偏好，大肠中存在Paneth样细胞。通过单细胞测序人体瞬时扩增细胞和杯状细胞的潜在新标记基因得到鉴定，人和小鼠回肠上皮细胞景观的共同和差异特征得到描绘。这将有助于研究膳食帮助某些病证的治疗或辅助治疗进行防病治病。Reales-Calderon等利用飞行时间流式细胞仪和单细胞转录组学技术的进步来表征接受维多珠单抗治疗的IBD小鼠的肠黏膜，同时通过16S rRNA基因测序进行黏膜微生物群分析，并与宿主细胞动力学相关联。在另一项研究中，通过单细胞RNA组学表征了B细胞和浆细胞的不同亚群，研究人员观察到UC患者中IgG 1+浆母细胞增加，而健康对照中IgA 2+浆细胞升高。总之，这些单细胞RNA组学研究突出了发炎黏膜中B细胞的存在以及人IBD中浆细胞中IgG类别转换的倾向。

Uzzan等在比较健康和UC患者时，从LP中分离出20 个B细胞簇，这些簇包括幼稚B细胞（IGHD、FCER 2和CD 72）、记忆B细胞（CD 27和TNFRSF 13 B）、非典型记忆B细胞（FCRL 5、FCRL 4和DUSP 4）、生发中心样B细胞（AICDA、BCL 6和FAS）和基于免疫球蛋白基因表达的浆细胞群。此外，他们还检测到了对表达IGHD、FCER 2和CD 72的幼稚B细胞簇具有特异性的IFN-γ特征，这表明UC中全身体液应答向促炎性IgG B细胞表型转变。通过这些研究进展，单细胞转录组学已经成为IBD研究的重要工具。它不仅帮助学者深入理解上皮细胞、基质细胞和免疫细胞之间的复杂互动，还推动了新的细胞类型和潜在治疗靶点的发现。免疫系统在疾病发生，尤其是癌症免疫逃逸、感染以及自身免疫性疾病中的作用至关重要。通过对免疫细胞的基因表达进行单细胞分析，可以揭示免疫细胞在应对疾病时的异常反应、过度激活或免疫逃逸机制。随着单细胞技术的进一步发展，预计在IBD的早期诊断、疾病分型以及个性化治疗方面将发挥越来越重要的作用。通过这些研究成果，未来可能为IBD患者提供更为精准的治疗策略，并推动新的疗法的开发，以实现更好的治疗效果和患者预后。

单细胞组学及其他技术联合在肠道健康中的应用如表3所示。

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单细胞组学技术的挑战与未来展望

3.1 单细胞组学技术的挑战

由于不同细胞类型和样本之间的基因表达差异较大，单细胞组学技术难以完全涵盖所有细胞类型的表达谱，可能存在一定的局限性。以单细胞转录组学为例，其程序主要包括单细胞分离和捕获、细胞裂解、逆转录成cDNA、cDNA扩增和文库制备。在单细胞悬液制备过程中，由于不可避免的自然现象、实验操作和技术障碍，活细胞可能会出现死亡、细胞膜损伤或多细胞黏附。为了消除低质量细胞的基因表达干扰，有必要使用合适的工具进行第二轮质量控制，例如Seurat技术，该技术可以根据每个细胞中的基因数量、转录本的数量、线粒体基因的百分比和核糖体蛋白基因的百分比，将低质量的细胞筛选过滤掉。此外，单细胞组学中每个细胞是独立样品，每个细胞的测序深度和转录组捕获速率均有不同，这些系统误差和技术噪音使得原始表达矩阵不能直接用于下游分析，细胞之间的表达水平不具有可比性。因此在分析数据时，常常采取归一化抵消技术噪声或偏差，并确保每个单元格之间的可比性。单细胞转录组学技术还存在数据量较大、数据解读难度大、实验成本较高、基因表达差异等问题。另外，单细胞蛋白质组学技术也存在一些挑战，如样品的代表性和可控性、低丰度蛋白质的检测、数据解读难度大等。总的来说，单细胞组学技术面临着数据量大、实验过程复杂、成本较高、生物信息学分析难度大等挑战，需要进一步发展和完善相关技术，并加强生物信息学的分析和解读能力，以提高数据质量和研究精度。

3.2 单细胞组学技术在临床转化中的潜力

虽然单细胞组学技术尚不成熟，但是通过分析单个细胞的基因表达情况，科学家们可以揭示细胞的特异性特征、功能变化以及它们在不同生理和病理状态中的角色，这种深层次的理解为研究人员提供了更精准的疾病诊断与治疗方案。单细胞组学技术的出现，特别是在基因组学、转录组学、蛋白质组学等领域的应用，打破了传统的群体细胞分析方法，能够深入探究每一个细胞的特征，进而了解细胞之间的异质性。这种细胞层面的精细分析不仅揭示了个体细胞在健康和疾病状态下的行为差异，还帮助研究人员更好地理解细胞如何相互作用，进而影响疾病的发生和发展。

这一技术的应用在多个领域取得了显著的成果，特别是在疾病诊断和治疗方面，单细胞组学可用于开发新型的生物标志物，这些标志物有望在疾病的早期阶段被检测出来，尤其是在肿瘤、神经退行性疾病、心血管疾病等的早期筛查中，通过在细胞水平上识别特定的基因表达变化，研究人员可以开发出更加个性化和精准的诊断工具，这些工具能够比传统的群体性检测方法更早地发现疾病的征兆。通过单细胞技术分析肠道免疫细胞、上皮细胞和微生物群的动态变化，开发出能够预测肠道疾病的早期标志物。例如，基于单细胞RNA测序分析，能够发现某些免疫细胞亚群或上皮细胞的异常变化，为肠道疾病（如IBD、肠癌等）的早期诊断提供有力支持。Liu等通过单细胞RNA测序分析了IBD患者与健康个体的肠道细胞差异，为IBD的分子机制提供了新的见解。此外，肿瘤的单细胞组学分析不仅有助于发现与癌症发生相关的特定基因表达模式，还能揭示肿瘤细胞的耐药机制和转移能力，从而为癌症的早期预防和个性化治疗提供支持。此外，单细胞组学在免疫治疗领域的潜力也正在逐步被发掘。例如，肿瘤微环境中的免疫抑制性细胞（如Treg细胞、髓源抑制细胞等）可能通过改变免疫细胞的基因表达，抑制免疫系统的正常功能。单细胞组学能够帮助揭示这些免疫细胞的具体特征，从而为免疫疗法的发展提供新的思路和靶点。尤其是在肿瘤免疫治疗中，单细胞技术的应用能够帮助筛选出最适合的免疫治疗策略，优化免疫检查点抑制剂的使用，从而提高治疗效果。在临床前模型研究中，单细胞组学的应用尤为重要，将单细胞转录组学技术与临床前模型相结合，能够建立更加完整的疾病模型，涵盖上皮细胞、基质细胞和免疫细胞等多种细胞类型，从而为研究人员提供全方位的疾病机制图谱。这种多细胞类型的疾病模型能够帮助人们理解不同细胞在疾病发生中的角色，以及它们如何相互作用导致疾病进展。这种基于单细胞分析的新型治疗模式，既可以提高治疗效果，也能够缩短临床试验的周期，加速新疗法的研发和应用。

总之，单细胞组学不仅为研究者提供了前所未有的细胞级别的基因表达数据，也为疾病的早期诊断、个性化治疗和免疫治疗的优化开辟了新的路径。虽然单细胞技术在基础研究中取得了显著进展，但要实现其临床转化还需要经过长时间的验证和临床试验。由于单细胞测序和相关技术需要昂贵的设备和技术支持，这使得其在一些小型实验室和低资源环境中的应用受限。现阶段，单细胞技术在临床中的应用仍处于探索阶段，如何将其高效转化为可实际应用的临床工具仍是一个难题。随着技术的不断进步和应用领域的拓展，单细胞组学将在疾病研究和临床治疗中发挥越来越重要的作用。

3.3 多组学联合分析的潜力

现阶段，单细胞组学与其他多种组学技术的联合应用，正在为生物学和医学研究开辟崭新的天地。多组学联合分析结合了基因组、转录组、蛋白质组、代谢组等多个层次的数据，从不同的角度全面揭示生物体的结构、功能变化及其在健康和疾病状态中的表现。与单一组学方法相比，多组学联合分析具有更强的综合性和系统性，能够为复杂生物体系提供更为深入的理解和更精准的解析。例如，单细胞组学可以揭示不同细胞类型之间的异质性，而蛋白质组学则能够深入到蛋白质层面，了解细胞功能的实际表现，再通过代谢组学对细胞的代谢活动进行全面评估，这种多维度的分析能够有效捕捉到生物体内部相互关联的复杂机制。在临床转化研究中，多组学联合分析具有巨大的应用潜力，特别是在疾病的诊断和治疗策略开发方面，通过综合分析多个组学层次的数据，研究人员能够发现传统单一组学分析难以揭示的生物标志物和潜在治疗靶点，这些信息可以为疾病的早期诊断、精准分型和个性化治疗提供更加全面和准确的支持。例如，在癌症研究中，单细胞组学能够揭示肿瘤细胞的转录模式，而蛋白质组学则有助于检测肿瘤细胞的表型特征和功能状态，代谢组学则能够展示肿瘤细胞的代谢变化。将这些数据结合起来，能够更准确地评估肿瘤的进展、治疗反应以及预后，从而为癌症的精准治疗提供更有力的依据。此外，多组学分析还在疾病机制的研究中发挥着重要作用。许多疾病，尤其是复杂性疾病，如心血管疾病、神经退行性疾病、糖尿病等，通常涉及多个分子通路和系统的相互作用，而通过多组学联合分析，研究人员可以系统地揭示不同组学层次之间的相互关系，进而了解疾病的发生、发展机制。例如，糖尿病不仅仅是代谢异常的体现，还与免疫、炎症以及细胞信号传导等多个生物学过程相关。通过结合基因组、转录组、蛋白质组和代谢组的数据，可以帮助揭示这些生物学过程如何在疾病发展中互相交织，从而为新型药物和治疗策略的研发提供更加精准的靶点和理论依据。尽管多组学联合分析具有巨大潜力，但在实际应用中也面临一些挑战和局限性。首先，数据的整合和解读是一个复杂的问题，不同组学之间的数据通常具有不同的格式、尺度和维度，需要通过有效的算法和技术手段进行整合。此外，样本量和样本类型的选择也是一个限制因素，多组学分析需要大量的样本和高质量的数据，而在某些疾病领域，尤其是罕见病的研究中，可能面临样本不足的问题。

3.4 未来单细胞组学技术在肠道健康研究中的发展趋势

单细胞组学技术不仅限于传统疾病的研究，还可以广泛应用于营养学和食品科学等领域。通过分析食物摄入对人体的多层次影响，可以为食品添加剂和功能性食品的开发提供科学依据。例如，代谢组学可以揭示食物摄入后代谢产物的变化，而蛋白质组学和转录组学则能够反映食物成分对基因和蛋白质表达的影响。结合这些数据，可以更加全面地理解食品对人体健康的作用机制，进而开发出有益健康的食品和添加剂。单细胞组学还可以用于开发新型的膳食治疗肠道疾病的方法。例如，通过分析单个肠道细胞的基因表达情况，可以了解不同膳食成分对肠道细胞的影响，并发现可能有助于改善肠道健康的特定食物成分和组合。此外，单细胞组学还可以用于开发新型的益生菌药物，通过分析肠道微生物组的基因表达情况，可以发现与特定益生菌相关的基因表达模式，从而为开发新型益生菌药物提供科学依据。然而，单细胞组学由于不同实验平台和技术的差异，也可能影响数据的可比性和一致性，因此，选择合适的技术平台和实验设计对于多组学分析至关重要。为了解决这些问题，研究人员正在开发更加高效的算法和方法，如数据挖掘、机器学习和人工智能等技术，来优化数据整合和分析过程。同时，跨学科合作和标准化技术平台的建设也有助于克服这些技术挑战，提高分析的准确性和可靠性。随着技术的不断发展和改进，单细胞组学技术将能够更准确地分析单个肠道细胞的基因表达情况，并提高数据分析的效率。这将有助于更全面地了解肠道微生物组的特异性和功能差异，以及它们与宿主之间的相互作用。

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结 语

利用单细胞组学探究膳食治疗肠道疾病的方法是一种具有广阔应用前景的方法（图1）。单细胞组学可以帮助识别膳食对肠道细胞的直接影响。膳食成分通过肠道上皮细胞、免疫细胞、基质细胞等多种细胞类型的相互作用，调控肠道的功能状态，通过单细胞组学技术，可以观察到在膳食干预下，肠道细胞的基因表达如何发生变化，哪些信号通路被激活或抑制，细胞功能是否恢复或增强。例如，单细胞转录组学可以揭示膳食成分如何调节肠道屏障功能、免疫应答和炎症反应，从而为膳食干预在肠道疾病治疗中的潜在作用提供证据。此外，单细胞组学能够帮助研究人员深入了解肠道微生物群落的组成、功能和动态变化。肠道微生物群在肠道健康中扮演着至关重要的角色，膳食因素能够显著影响微生物群的结构和代谢功能，进而影响宿主的免疫反应、代谢功能和肠道屏障功能。通过单细胞转录组学技术，可以精确地分析肠道微生物群中不同细胞类型的基因表达，揭示膳食干预如何调控微生物群的活动及其对宿主的影响，这为开发基于膳食的微生物群调节剂、新型药物以及功能性食品提供了科学依据。通过精细化的分析，还能够发现哪些特定的膳食成分或食物组合能显著改善肠道健康，调节微生物群落的多样性，缓解肠道炎症，从而为新型治疗策略的研发提供重要信息。

尽管单细胞组学为膳食治疗肠道疾病提供了许多有价值的信息，它仍然面临一些挑战和局限性。首先，样本采集和处理的准确性非常关键。肠道微生物和肠道细胞群体的异质性较高，单细胞的采集和分离过程必须非常精细，以确保获得的样本能够准确代表肠道的真实状态。此外，肠道微生物群的动态变化也给单细胞组学分析带来挑战。膳食因素的短期和长期影响可能会导致微生物群的快速变化，因此如何在不同时间节点收集样本，并准确追踪膳食干预对微生物群的影响，是一项技术难题。此外，单细胞组学产生的数据量巨大且复杂，数据的解释和解读仍然是一个挑战。由于数据的多维性和复杂性，如何将不同来源的单细胞数据整合起来，分析其相互关系，并从中提取出有意义的生物学信息，仍然需要依赖先进的算法和模型。此外，单细胞组学技术本身仍在不断发展，如何优化技术流程，提高数据质量，以及提高数据分析的效率和准确性，都是未来研究中亟待解决的问题。

综上所述，尽管单细胞组学在膳食治疗肠道疾病中的应用具有巨大潜力，但在实际应用中仍需克服一些技术和方法上的挑战。在未来，随着技术的不断进步，单细胞组学将更加精确地揭示膳食、肠道微生物群和宿主细胞之间的复杂相互作用，为肠道疾病的膳食干预、精准治疗和新药开发提供更加科学和有力的支持。

通信作者：

贺晓云副教授，中国农业大学食品科学与营养工程学院博导。主要从事食品功能因子功效评价与机制研究，功能食品开发及食品安全性评价。曾先后主持国家科技支撑计划、转基因生物新品种培育重大专项课题、科技创新2030、农业部农业转基因生物安全检测项目、农业部软课题、河北省科技攻关、河南省科技攻关等纵向课题8 项，主持横向课题10余项。以第一或通信作者发表学术论文50 篇，其中SCI论文40 篇；副主编教材5 部；获得授权专利11 项；获省级政府科技奖励6 项；参与制修订行业标准17 项；获得省部级成果鉴定4 项。

第一作者：

徐彤晓，中国农业大学食品科学与营养工程学院博士研究生。主要研究方向食品安全、真菌毒素毒性与防控，以第一作者或共同作者在《Cell Biology and Toxicology》《Toxins》等SCI期刊上发表论文4 篇。

本文《单细胞组学技术在肠道健康中的研究进展》来源于《食品科学》2025年46卷第11期343-352页，作者：徐彤晓，陈亚南，王健瑭，皇甫秉欣，班秋实，黄昆仑，贺晓云。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20241205-041。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网