【学术前沿】超高分辨率图像分析助力运动纤毛病诊断

以下文章来源于细胞纤毛 ，作者CIliopathy Lab

细胞纤毛.

国家儿童健康与疾病临床研究中心（浙江大学医学院附属儿童医院）纤毛病实验室，提供纤毛与纤毛病相关研究和科普信息。

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原发性纤毛运动障碍（primary ciliary dyskinesia，PCD）是最常见的运动纤毛病（详见「“毛”病专栏 」原发性纤毛运动障碍（PCD））。编码运动纤毛相关蛋白的基因突变和纤毛的结构缺陷是PCD的主要病因（图1）。据不完全统计，PCD的全球发病率高于1:7554，并且患者通常在出生后即出现相关症状1,2。然而，目前临床上尚不能够完全治愈PCD，因此PCD的早期有效诊断是改善患者生活质量的关键。

图1 PCD的致病基因和纤毛超微结构改变3

多伦多大学Vito Mennella团队和多伦多儿童医院Sharon D. Dell团队在Science Translational Medicine以封面形式发表了题为“A quantitative super-resolution imaging toolbox for diagnosis of motile ciliopathies”的研究成果4。该研究报道了一套基于超分辨率成像工具和自动化定量图像分析的PCD诊断流程，为PCD现有的诊断方法和病理研究提供了有力的帮助。

首先，作者利用三维结构光照明技术（three-dimensional structured illumination microscopy，3D-SIM），对来自健康志愿者鼻腔组织的气道多纤毛细胞（airway multiciliated cell）的PCD相关蛋白进行自动化成像，由此生成PCD相关蛋白图谱。接下来，作者开发了一套MATLAB程序，以实现对健康志愿者和患者的PCD相关蛋白图谱的定量分析，通过比较PCD相关蛋白在整个细胞和纤毛的分布情况，准确分辨出常规诊断方法无法识别的蛋白（如DNAH5和DNAH11）表达和定位模式差异（图2）。随后，作者又对上述方法进行了优化，比如采用机器学习的方法来提高检测流程的自动化程度、使用随机光学重建显微技术（stochastic optical reconstruction microscopy，STORM）替代3D-SIM以提高成像分辨率等，由此为PCD提供了一种直接、特异的分子诊断方法。

图2 A. 3D-SIM定量分析流程图。B.携带不同PCD基因突变模式的患者和健康志愿者的比较分析；左：患者携带DNAH5基因突变（1.6 kb片段缺失& 1无义突变）引起DNAH5纤毛定位缺陷；中：患者携带DNAH5基因突变（1错义突变& 1意义不明的无义突变）引起DNAH5蛋白异常定位于纤毛近端，右：患者携带DNAH11基因突变（500 bp片段缺失& 3意义不明的变异）引起DNAH11纤毛定位缺陷。C. 3D-SIM定量分析统计结果。

在纤毛摆动的过程中，位于运动纤毛基体（basal body）的基足（basal foot）会指向摆动的方向，这一性质被称为旋转极性（rotational polarity）。PCD患者由于纤毛结构缺陷会引起运动极性的异常，因此可以作为潜在的诊断标准。此前采用的TEM方法相对耗时，通量低，只能用于定性分析。为了克服这些限制，作者首先采用空气-液体界面（air-liquid interface，ALI）培养系统来诱导多纤毛细胞形成类似呼吸道的假复层纤毛上皮（pseudostratified ciliated epithelium），然后通过MATLAB程序对3D-SIM自动化成像的基体标记蛋白POC1B和基足标记蛋白Centrolin进行分析，以计算其旋转极性值。根据以上方法，作者准确地评估了PCD患者运动纤毛的旋转极性缺陷（图3）。

图3 A.健康志愿者和PCD患者的运动纤毛旋转极性差异。B. 3D-SIM成像的基体（POC1B）和基足（Centrolin）。C.健康志愿者（上）的运动纤毛旋转极性方向一致，PCD患者（下）的运动纤毛旋转极性无方向性;D.健康志愿者和PCD患者的旋转极性统计分析。

小编认为，通过超分辨率成像工具对PCD患者运动纤毛的结构和旋转极性缺陷进行量化分析，大大提高了PCD诊断的准确性，同时有助于理解临床上发现的一些意义未明突变的作用，期待能够在不久的将来投入到临床实践中。

参考文献：

[1] Lucas JS, Davis SD, Omran H, Shoemark A. Primary ciliary dyskinesia in the genomics age. Lancet Respiratory Medicine. 2020;8(2):202-216.

[2]Hannah WB, Seifert BA, Truty R, et al. The global prevalence and ethnic heterogeneity of primary ciliary dyskinesia gene variants: a genetic database analysis. Lancet Respiratory Medicine. 2022;10(5):459-468.

[3] Horani A, Ferkol TW. Advances in the genetics of primary ciliary dyskinesia: clinical implications. Chest. 2018;154(3):645-652.

[4]Liu Z, Nguyen QPH, Guan Q, et al. A quantitative super-resolution imaging toolbox for diagnosis of motile ciliopathies. Science Translational Medicine. 2020;12(535):eaay0071.

来源：细胞纤毛

国家儿童健康与疾病临床研究中心纤毛病实验室（浙江大学医学院附属儿童医院）

内容：金昊

排版：杨凤

原标题：《【学术前沿】超高分辨率图像分析助力运动纤毛病诊断》

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