在最新一期Advanced Science期刊上，刊登了一幅融合了中國(guó)傳統(tǒng)神話元素的科學(xué)插畫：畫面下方是火紅的荒漠，哪吒手持火尖槍橫掃成群的“小妖”，而畫面上方則是藍(lán)天白云，哪吒用混天綾纏繞住一只巨大的“蟲怪”。
這張插畫展示了由華大生命科學(xué)研究院、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州獸醫(yī)研究所、蘭州大學(xué)等團(tuán)隊(duì)合作的最新成果。其中，插圖的大部分想法和設(shè)計(jì)工作均源自華大生命科學(xué)研究院年輕的科研團(tuán)隊(duì)，主要由90后和00后組成。
在這項(xiàng)研究中，研究人員利用時(shí)空組學(xué)技術(shù)，首次繪制了高分辨率的多房棘球蚴感染小鼠肝臟的時(shí)空動(dòng)態(tài)圖譜，為開發(fā)泡型包蟲病早期診斷標(biāo)志物和靶向治療策略提供了新思路。
帶有“哪吒”元素的科學(xué)插圖。受訪者供圖
從“火尖槍”到“混天綾”，免疫系統(tǒng)如何“戰(zhàn)術(shù)切換”？
在北半球牧區(qū)，一種名為泡型包蟲病的致命寄生蟲病長(zhǎng)期威脅著牧民的健康，我國(guó)西北牧區(qū)就是典型的受威脅區(qū)域之一。這種被稱為“蟲癌”的疾病，未治療患者10年病死率超90%。泡型包蟲病是由多房棘球絳蟲的幼蟲寄生引發(fā)，蟲體在宿主的肝臟內(nèi)形成侵襲病灶。
“如果把宿主的肝臟免疫系統(tǒng)比作哪吒，早期感染時(shí)，它揮舞火尖槍主動(dòng)快速殺傷寄生蟲；到了中晚期，則換成混天綾形成屏障，隔離敵人。”論文共同第一作者、華大生命科學(xué)研究院副研究員歐芷華這樣描述團(tuán)隊(duì)的核心發(fā)現(xiàn)。
在該研究中，研究團(tuán)隊(duì)利用華大生命科學(xué)研究院自主研發(fā)的時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，結(jié)合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，追蹤了小鼠感染多房棘球蚴后肝臟免疫微環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，繪制了高分辨率的多房棘球蚴感染小鼠肝臟的時(shí)空動(dòng)態(tài)圖譜，揭示了宿主免疫系統(tǒng)的“作戰(zhàn)策略”。
他們發(fā)現(xiàn)，在感染早期，免疫系統(tǒng)中的中性粒細(xì)胞如同“火尖槍”，通過高表達(dá)炎癥因子，在病灶處主動(dòng)殺傷寄生蟲。與此同時(shí)，Spp1+巨噬細(xì)胞化身“風(fēng)火輪”，聚集到感染灶破壞原頭蚴。到了感染中后期，寄生蟲“升級(jí)”為難以消滅的囊泡，宿主肝臟的免疫策略隨之發(fā)生變化，巨噬細(xì)胞與成纖維細(xì)胞“聯(lián)手”，通過重塑細(xì)胞外基質(zhì)，形成纖維化屏障，將寄生蟲囊泡進(jìn)行物理隔離。
“隨著寄生蟲生長(zhǎng)，妖怪變大能力變強(qiáng)，難以快速消滅，哪吒從地面轉(zhuǎn)戰(zhàn)天空，用混天綾捆住敵人。這種從‘主動(dòng)殺傷’到‘物理隔離’的免疫策略，強(qiáng)調(diào)了對(duì)泡型包蟲病早期感染干預(yù)的重要性。”歐芷華表示，通過深入闡明泡型包蟲病感染進(jìn)展相關(guān)的關(guān)鍵細(xì)胞和分子特征，可以為泡型包蟲病診療提供理論參考。
從概念設(shè)計(jì)到水彩繪制僅用一周
在得知論文被期刊接收后，研究團(tuán)隊(duì)在調(diào)研期刊封面風(fēng)格之后，最終決定以中國(guó)神話元素詮釋團(tuán)隊(duì)的研究成果。“一方面是我們的文化自信提升了，另一方面是越來(lái)越多的年輕人參與到科學(xué)研究中。”歐芷華介紹。
“起初我們打算用孫悟空三打白骨精的故事，但孫悟空用金箍棒畫圈保護(hù)唐僧，與成纖維細(xì)胞形成纖維化屏障的策略并不完全契合。受今年大火的電影《哪吒之魔童鬧海》啟發(fā)，課題組的碩士生陳嘉玲提出以哪吒作為設(shè)計(jì)主體，思路豁然開朗。”論文共同第一作者任陪娣回憶道。
這幅插畫分為上下兩部分：底部赤紅荒漠中，哪吒腳踏風(fēng)火輪手持火尖槍橫掃成群的“小妖”（早期原頭蚴），象征早期免疫攻擊；上方藍(lán)天云靄間，哪吒使用混天綾纏繞住巨大的“蟲怪”（中晚期囊泡），比喻成纖維細(xì)胞對(duì)病灶進(jìn)行纖維化隔離。暖色調(diào)的西北地貌與冷色調(diào)的“天宮”戰(zhàn)場(chǎng)，比喻宿主免疫系統(tǒng)在不同時(shí)期的“戰(zhàn)術(shù)切換”。
“我們前期利用了AI工具優(yōu)化元素設(shè)計(jì)，多次修改形成概念圖，最終的封面由家屬‘外援’手繪完成。”歐芷華笑道，封面的水彩畫出自任陪娣的姐姐任婷婷之手，從概念設(shè)計(jì)到水彩繪制僅用一周時(shí)間便完成了。
“很多時(shí)候，研究人員做的研究成果可能只有業(yè)內(nèi)人士知道，對(duì)于普羅大眾來(lái)說，過于晦澀的科學(xué)詞匯對(duì)他們來(lái)說難以理解。我們希望將傳統(tǒng)文化故事與科學(xué)發(fā)現(xiàn)相結(jié)合，融合文化潮流元素推陳出新，讓大眾看得懂、記得住。”歐芷華表示。
讓年輕人挑大梁
早在2018年，華大生命科學(xué)研究院與中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州獸醫(yī)研究所賈萬(wàn)忠團(tuán)隊(duì)便圍繞寄生蟲的基因組學(xué)開展研究。2020年底，華大生命科學(xué)研究院發(fā)布了時(shí)空組學(xué)技術(shù)。該技術(shù)在1平方厘米的芯片上，用4億個(gè)“探針”來(lái)捕獲分子信息，可實(shí)現(xiàn)500納米“分辨率”，最大可達(dá)到13厘米x13厘米的超大視野生命分子成像。“如同一部全景相機(jī)，照出生命的奧秘。”
“那時(shí)，我們就在思考，能否將時(shí)空組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于感染性疾病的研究。”歐芷華介紹，在該項(xiàng)研究中，華大生命科學(xué)研究院團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)時(shí)空組學(xué)實(shí)驗(yàn)和生物信息學(xué)分析，而蘭州獸醫(yī)研究所團(tuán)隊(duì)則負(fù)責(zé)樣本采集、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)以及分子驗(yàn)證。
“我們鼓勵(lì)年輕人主動(dòng)挑大梁，去承擔(dān)更多的科研任務(wù)。”談到團(tuán)隊(duì)成員構(gòu)成，歐芷華介紹，其課題組成員大部分以90后、00后為主。例如，共同第一作者陳嘉玲在參與研究時(shí)還是一名本科生。本科畢業(yè)后，她通過推免項(xiàng)目成為華大生命科學(xué)研究院與中國(guó)科學(xué)院大學(xué)聯(lián)培碩士研究生，在歐芷華課題組持續(xù)開展感染時(shí)空組學(xué)相關(guān)研究。而另一位論文作者譚啟明，本科畢業(yè)后則成為了華大生命科學(xué)研究院與波蘭雅蓋隆大學(xué)的聯(lián)培碩士生。
95后的任陪娣在研究中承擔(dān)了大部分實(shí)驗(yàn)工作。“需要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)控才能獲得包含感染灶的小鼠肝臟組織，中晚期感染灶還有病灶鈣化、纖維化等問題，影響時(shí)空組數(shù)據(jù)質(zhì)量，對(duì)后續(xù)的生信分析帶來(lái)挑戰(zhàn)。”在該研究中，華大生命科學(xué)研究院的高性能計(jì)算DCS云平臺(tái)為項(xiàng)目組處理高達(dá)TB級(jí)的數(shù)據(jù)提供了有力支持，其配置的多種分析工具也幫助項(xiàng)目組成員解決了不少分析難題。
歐芷華介紹，未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步深入研究棘球絳蟲的基因組學(xué)特征，整合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)、空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)等技術(shù)，深入了解這些寄生蟲在人體內(nèi)的感染致病機(jī)制。
據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)正在牽頭組建感染時(shí)空組學(xué)聯(lián)盟，將舉辦感染時(shí)空組學(xué)國(guó)際研討會(huì)，搭建學(xué)術(shù)交流平臺(tái)，與國(guó)內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)建立深度合作，加速感染性疾病機(jī)理研究及防治策略優(yōu)化。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/advs.202570134
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