類器官作為一種體外細(xì)胞模型，利用單細(xì)胞測序技術(shù)可以獲得非常接近體內(nèi)器官的基因組特征，通過結(jié)合空間轉(zhuǎn)錄組測序進(jìn)一步得出各類細(xì)胞的空間分布特征，適用于多個領(lǐng)域的研究。

 

● 研究思路 ●

01 對類器官進(jìn)行質(zhì)控

 

通過單細(xì)胞測序技術(shù)，將類器官與體內(nèi)器官的細(xì)胞類型和轉(zhuǎn)錄譜相比較，篩選細(xì)胞類型與轉(zhuǎn)錄譜與體內(nèi)器官相近的類器官繼續(xù)用于后續(xù)實驗。
 

/ 文獻(xiàn)案例 /

 

發(fā)表雜志：Genome Medicine  影響因子：15.266

 

本研究通過對來自人類腎臟類器官和人類胎兒腎臟的單細(xì)胞數(shù)據(jù)集的綜合分析，評估類器官與真實腎臟器官細(xì)胞類型及分子表達(dá)譜的一致性和差異性。單細(xì)胞數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，類器官和胎兒腎器官，都包含了基質(zhì)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和腎元細(xì)胞等細(xì)胞類型。此外，還在類器官中發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)細(xì)胞、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和肌肉祖細(xì)胞群。同時還對不同細(xì)胞類型的表達(dá)譜進(jìn)行了深入分析。總之，本研究綜合分析支持了腎臟類器官作為腎臟發(fā)育模型的保真度，并肯定了其在疾病建模和藥物篩選方面的潛力（1）。
 

研究思路

02 疾病研究
 

通過建立類器官疾病模型，進(jìn)行體外實驗。單細(xì)胞測序的優(yōu)勢就是進(jìn)行細(xì)胞異質(zhì)性研究，通過聚類分析得到器官中的各類異質(zhì)性細(xì)胞，并進(jìn)一步分析每一類細(xì)胞的分子表達(dá)譜，以及不同細(xì)胞類型之間相互作用關(guān)系，研究疾病發(fā)生的分子機(jī)制�？臻g轉(zhuǎn)錄組測序能夠得到基因表達(dá)的空間信息，通過聯(lián)合單細(xì)胞數(shù)據(jù)，得到不同細(xì)胞類型的空間分布信息，進(jìn)一步從空間分布分析得到更多不同細(xì)胞類型間的相互作用信息，深入研究疾病發(fā)生機(jī)制。

 

/ 文獻(xiàn)案例 /

 

發(fā)表雜志：Advanced Science  影響因子：17.521
 

本研究選用患者源性類器官（PDO）作為臨床前模型，通過50個直腸癌肝轉(zhuǎn)移（CRLM）類器官（來源于原發(fā)腫瘤和配對肝轉(zhuǎn)移病變），構(gòu)建了類器官的生物樣本庫。通過多組學(xué)水平（組織病理學(xué)、基因組、轉(zhuǎn)錄組和單細(xì)胞測序）對CRLM PDOs進(jìn)行全面分析，研究患者以及患者間的腫瘤異質(zhì)性。體外化療敏感性數(shù)據(jù)揭示了PDOs在預(yù)測CRLM患者化療反應(yīng)和臨床預(yù)后方面的潛在臨床應(yīng)用價值�？傊�，CRLM PDOs可用于為個性化醫(yī)療提供潛在應(yīng)用（2）。
 

研究思路

 

03 器官發(fā)育軌跡研究
 

體外類器官由干細(xì)胞發(fā)育而來，能夠模擬組織器官的發(fā)育過程。在器官發(fā)育軌跡研究中，可以選取器官發(fā)育的不同時間點進(jìn)行單細(xì)胞測序，比較不同時期的類器官細(xì)胞類型及分子表達(dá)譜的變化，從而研究組織器官發(fā)育不同階段重要的細(xì)胞類型及調(diào)控因子。
 

/ 文獻(xiàn)案例 /
 

發(fā)表雜志：Nature  影響因子：69.504
 

本研究通過單細(xì)胞測序及單細(xì)胞ATAC技術(shù)，獲得了3個人類 iPS 細(xì)胞系和1個胚胎干細(xì)胞系的11個時間點（涵蓋了2個月的發(fā)育過程）的分子表達(dá)譜，建立了一個大腦類器官發(fā)育的多組學(xué)圖譜。通過開發(fā)框架程序Pando（結(jié)合了多組學(xué)數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點的預(yù)測），推斷類器官發(fā)育的整個基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，揭示了發(fā)育層次和命運決定的關(guān)鍵階段，以及類器官內(nèi)每個細(xì)胞的分子表達(dá)。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)錄因子GLI3在人類大腦皮層發(fā)育發(fā)揮重要作用。總之，本研究建立了人類大腦類器官發(fā)育的多組學(xué)圖譜，首次證明轉(zhuǎn)錄因子 GLI3 參與了人類前腦模式的形成，為如何利用人體模型系統(tǒng)和單細(xì)胞技術(shù)重建人類發(fā)育生物學(xué)提供了框架（3）。
  

研究思路

 

04 藥物篩選及耐藥機(jī)制研究
 

類器官可以通過模擬真實器官微環(huán)境，從而更能準(zhǔn)確反應(yīng)耐藥機(jī)制，應(yīng)用于藥物篩選及耐藥研究，從而為臨床用藥提供指導(dǎo)。單細(xì)胞測序能夠通過比較不同藥物處理后，細(xì)胞類型及基因表達(dá)的變化，探究細(xì)胞耐藥和藥物作用機(jī)制，從而進(jìn)行藥物篩選。
 

/ 文獻(xiàn)案例 /

 

發(fā)表雜志：Advanced Science  影響因子：17.521

 

本研究在體外建立患者來源的肝膽腫瘤類器官，包括4例肝細(xì)胞癌（HCC）、2例肝內(nèi)膽管癌（ICC）和1例膽囊癌（GBC）的腫瘤類器官，對構(gòu)建的類器官進(jìn)行了scRNA-seq分析和藥物篩選。結(jié)果顯示，HCC-272在所有樣本中最具腫瘤惡性潛能，對13種肝癌一線藥物產(chǎn)生耐藥。同時還發(fā)現(xiàn)腫瘤前體細(xì)胞標(biāo)志物CD44在HCC-272中的表達(dá)顯著高于其他樣本。STAT3 抑制劑處理后，HCC-272對藥物敏感性顯著提高，提示HCC-272可能主要依賴CD44/JAK-STAT通路實現(xiàn)耐藥。細(xì)胞互作發(fā)現(xiàn)，HCC-272中GAPDH+和NEAT1+兩個細(xì)胞亞群存在相互作用，GAPDH+亞群可能通過HIF-1信號促進(jìn)CD44表達(dá)升高，進(jìn)而激活JAK-STAT信號通路促進(jìn)廣譜耐藥，提示細(xì)胞亞群互作協(xié)同耐藥有可能是腫瘤耐藥的一個關(guān)鍵機(jī)制（4）。
 

研究思路

 

● 研究思路總結(jié) ●
 

 

引用文獻(xiàn)：

（1）Combes AN, Zappia L, Er PX, Oshlack A, Little MH. Single-cell analysis reveals congruence between kidney organoids and human fetal kidney. Genome Med. 2019;11(1):3. Published 2019 Jan 23. doi:10.1186/s13073-019-0615-0

（2）Mo S, Tang P, Luo W, et al. Patient-Derived Organoids from Colorectal Cancer with Paired Liver Metastasis Reveal Tumor Heterogeneity and Predict Response to Chemotherapy. Adv Sci (Weinh). 2022;9(31):e2204097. doi:10.1002/advs.202204097

（3）Fleck JS, Jansen SMJ, Wollny D, et al. Inferring and perturbing cell fate regulomes in human brain organoids [published online ahead of print, 2022 Oct 5]. Nature. 2022;10.1038/s41586-022-05279-8. doi:10.1038/s41586-022-05279-8

（4）Zhao Y, Li ZX, Zhu YJ, et al. Single-Cell Transcriptome Analysis Uncovers Intratumoral Heterogeneity and Underlying Mechanisms for Drug Resistance in Hepatobiliary Tumor Organoids. Adv Sci (Weinh). 2021;8(11):e2003897. doi:10.1002/advs.202003897