類器官作為一種體外細胞模型，利用單細胞測序技術(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)錄組測序進一步得出各類細胞的空間分布特征，適用于多個領(lǐng)域的研究。

● 研究思路 ●

01 對類器官進行質(zhì)控

通過單細胞測序技術(shù)，將類器官與體內(nèi)器官的細胞類型和轉(zhuǎn)錄譜相比較，篩選細胞類型與轉(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胞數(shù)據(jù)集的綜合分析，評估類器官與真實腎臟器官細胞類型及分子表達譜的一致性和差異性。單細胞數(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)細胞、內(nèi)皮細胞和腎元細胞等細胞類型。此外，還在類器官中發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)細胞、神經(jīng)膠質(zhì)細胞和肌肉祖細胞群。同時還對不同細胞類型的表達譜進行了深入分析。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，進行體外實驗。單細胞測序的優(yōu)勢就是進行細胞異質(zhì)性研究，通過聚類分析得到器官中的各類異質(zhì)性細胞，并進一步分析每一類細胞的分子表達譜，以及不同細胞類型之間相互作用關(guān)系，研究疾病發(fā)生的分子機制。空間轉(zhuǎn)錄組測序能夠得到基因表達的空間信息，通過聯(lián)合單細胞數(shù)據(jù)，得到不同細胞類型的空間分布信息，進一步從空間分布分析得到更多不同細胞類型間的相互作用信息，深入研究疾病發(fā)生機制。

/ 文獻案例 /

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)錄組和單細胞測序）對CRLM PDOs進行全面分析，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。總之，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)育的不同時間點進行單細胞測序，比較不同時期的類器官細胞類型及分子表達譜的變化，從而研究組織器官發(fā)育不同階段重要的細胞類型及調(diào)控因子。
 

/ 文獻案例 /
 

發(fā)表雜志：Nature  影響因子：69.504
 

本研究通過單細胞測序及單細胞ATAC技術(shù)，獲得了3個人類 iPS 細胞系和1個胚胎干細胞系的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)每個細胞的分子表達。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)。單細胞測序能夠通過比較不同藥物處理后，細胞類型及基因表達的變化，探究細胞耐藥和藥物作用機制，從而進行藥物篩選。
 

/ 文獻案例 /

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)腫瘤前體細胞標(biāo)志物CD44在HCC-272中的表達顯著高于其他樣本。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。細胞互作發(fā)現(xiàn)，HCC-272中GAPDH+和NEAT1+兩個細胞亞群存在相互作用，GAPDH+亞群可能通過HIF-1信號促進CD44表達升高，進而激活JAK-STAT信號通路促進廣譜耐藥，提示細胞亞群互作協(xié)同耐藥有可能是腫瘤耐藥的一個關(guān)鍵機制（4）。
 

研究思路

● 研究思路總結(jié) ●
 

引用文獻：

（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