单细胞轨迹分析揭示线粒体功能是预测嗜肺军团菌在巨噬细胞内复制的关键指标

本研究通过开发BATLI软件结合高内涵活细胞成像技术，首次在单细胞水平上实现了对嗜肺军团菌(L. pneumophila)感染人巨噬细胞命运的早期预测。研究发现，线粒体膜电位(Δψm)的维持和线粒体活性氧(mROS)的升高是巨噬细胞支持细菌复制的关键预测指标，准确率达83%。该研究为理解宿主-病原体相互作用的单细胞异质性提供了新视角，对传染病精准预测具有重要意义。

在感染生物学领域，一个长期存在的核心问题是：我们能否在单细胞水平预测感染结局？尽管巨噬细胞作为先天免疫的重要防线，但其群体内部存在显著异质性，导致不同细胞对同一病原体的应答结果各异。嗜肺军团菌(Legionella pneumophila)作为一种典型的胞内病原体，能在肺泡巨噬细胞内复制并引起严重的军团菌病，但奇怪的是，仅约20%的感染细胞支持细菌复制，其余细胞则能有效清除病原体。这种异质性背后的机制和早期预测指标一直是未解之谜。

传统转录组学和代谢组学方法虽能揭示群体平均趋势，却无法捕捉单细胞动态过程。为解决这一难题，研究人员在《Nature Communications》上发表了创新性研究，通过开发新型计算工具BATLI(Backtracking Analysis of Time-Lapse Imaging)，结合高内涵活细胞成像，首次实现了对感染结局的早期预测。

研究团队采用了几项关键技术：从健康志愿者外周血分离单核细胞并分化为巨噬细胞(hMDMs)；建立高通量活细胞成像平台，使用多种荧光染料同时监测线粒体膜电位(Δψ_m)、活性氧(ROS)等参数；开发BATLI软件进行单细胞轨迹追踪和回溯分析；利用机器学习算法构建预测模型。

巨噬细胞异质性与细菌复制命运关联分析

通过长时间追踪数千个感染细胞，研究人员发现感染结局具有明显异质性。仅约20%的嗜肺军团菌野生型(Lpp-WT)感染细胞支持细菌复制，而IV型分泌系统(T4SS)缺陷株(ΔdotA)则完全不能复制。BATLI分析成功将细胞分为复制型(Class 1)和非复制型(Class 0)，并回溯分析了感染早期各参数动态变化。

线粒体功能作为关键预测指标

深入分析发现，Δψ_m的维持和mROS的升高是复制型巨噬细胞的显著特征。在感染后7小时(细菌复制起始前)，这两项指标已在两类细胞间出现显著差异。进一步实验证实，这种ROS主要来源于线粒体电子传递链复合体I，而非复合体III。

细胞死亡命运的异质性

研究还发现，早期细胞死亡主要发生在非复制型巨噬细胞中，而复制型细胞死亡显著延迟。令人意外的是，T4SS缺陷株感染反而赋予细胞对Staurosporine诱导死亡的抵抗能力，且这种保护作用具有剂量依赖性。

病原体代谢状态的影响

通过双荧光报告系统，研究发现非复制型空泡中大部分细菌代谢失活，但约22%仍保持代谢活性却不复制，提示存在休眠亚群。细菌代谢状态与复制能力密切相关，贡献于感染异质性。

机器学习预测模型的构建

基于BATLI生成的高质量数据集，研究人员利用逻辑回归算法构建预测模型。使用0-5小时Δψ_m和mROS的相对变化值作为特征，该模型能在感染后5小时(复制开始前)以83%的准确率预测感染结局，曲线下面积(AUROC)达0.74。

本研究通过创新性的单细胞动态分析平台，揭示了宿主线粒体功能在决定感染结局中的核心作用。不仅证实了Δψ_m维持对嗜肺军团菌复制的必要性，还首次将mROS识别为关键预测指标。研究发现宿主与病原体代谢状态的相互作用共同决定了感染命运，挑战了传统群体水平研究结论。

该方法学创新具有广泛适用性，可拓展至其他胞内病原体研究，为理解感染异质性提供了新范式。更重要的是，研究证明了感染系统存在"计算可简化性"特征，即复杂感染过程可通过关键早期指标进行预测，这为发展精准抗感染策略奠定了理论基础。通过靶向特定代谢状态干预感染进程，可能为未来传染病防治提供新思路。

研究的局限在于使用体外培养模型，未来需要在更接近生理条件的体内环境中验证这些发现。此外，探索其他代谢参数是否可进一步提高预测准确性，以及这些规律是否适用于其他病原体-宿主系统，都是值得深入探讨的方向。