随着科学研究的不断发展，动物模型已不能满足研究的需求，类器官由此产生，它是基于3D体外细胞培养系统建立的与体内组织或器官高度相似的模型。类器官培养系统是由一个可以自我更新的多能或全能干细胞群开始分化，形成多种细胞类型，通过空间限制形成与对应器官类似的空间结构。

 

人胰腺类器官的生成

 

 

单细胞测序助力类器官研究中难题的解决

 

现阶段类器官主要来源有两种：一种是由多能干细胞诱导培养生成，具有一定的器官特异性、相似的空间结构并能够重现对应器官的部分功能；一种是由患者肿瘤细胞培养而成的保留了肿瘤组织的部分生物学特征以及遗传稳定性的肿瘤类器官模型。由于类器官可重现对应器官的部分功能，提供了一个高度生理相关的系统，从而类器官可以用来研究基本的发育生物学，研究基因在疾病或大脑发育障碍中的作用，也可用于测试药物，并可能用于培养可移植的器官。但目前类器官所面临的细胞异质性、成熟度不够、一致性不稳定等问题一定程度上阻碍了类器官的实际应用。

 

类器官技术的多样化应用

 

但以上问题可以用单细胞测序解决，比如利用单细胞测序从细胞、基因和功能层面评估类器官和真实器官的相似程度，给优质类器官的生成和筛选提供质控标准；分析类器官的动态转录，了解器官的发育分化；解析类器官细胞之间，与周围基质之间的互作等。

 

单细胞测序解决类器官研究问题的思路

 

单细胞测序应用于类器官研究案例

 

单细胞测序研究小鼠胚胎及类囊胚发育

Generation of Blastocyst-like Structures from Mouse Embryonic and Adult Cell Cultures

发表杂志：Cell（IF: 64.5）

应用技术：10x Genomics单细胞转录组测序

胚胎发育是哺乳动物个体形成过程中的起始环节，但由于其数量的稀缺性导致很难通过传统的技术进行研究。本研究在体外培养了类囊胚，荧光染色发现类囊胚形成的关键过程在种植后的4h内，细胞之间连接松散；种植后18小时左右，细胞开始形成紧密的聚集体；种植后的第3天，75%细胞聚集物呈现PAR6富集的极化特征。然后进行了单细胞测序，发现类囊胚在形态学、细胞组成和基因表达上，与小鼠受精囊胚胎都比较相似，类囊胚可以诱导子宫内膜的蜕膜化，该研究为获得功能更加完整的类囊胚和器官移植提供了重要的理论依据。

 

研究流程

 

单细胞分群分析鉴定类囊胚和受精囊胚细胞类型一致性

 

单细胞测序助力构建整合视泡结构的大脑类器官

Human brain organoids assemble functionally integrated bilateral optic vesicles

发表杂志：Cell Stem Cell（IF: 23.9）

应用技术：10x Genomics单细胞转录组测序

先前研究发现脑类器官中也会表达一些和视网膜或眼睛相关的基因，但是它们始终不能发育成为可见的视觉结构。为了实现这一目标，本研究修改了他们之前开发的将诱导多能干细胞转化为神经组织的方案，从而使人类大脑的类器官形成了视杯，选取30天具有原始视野的三维脑类器官以及60天含有视神经囊泡的脑类器官样本。单细胞测序结果发现，类器官中包含丰富的神经细胞群，如神经元、小胶质细胞和视网膜细胞等，并包含丰富的非神经细胞群，如晶状体和角膜组织。细胞分群分析也表明，将视觉结构与胚胎视网膜和视网膜类器官进行比较，发现三者的细胞类群特征和基因表达非常类似，另外，本研究还利用拟时间分析鉴定了其组织细胞分化过程。本研究利用人类诱导多能干细胞（iPSCs）来生成包含视泡结构的大脑类器官，首次成功将视网膜结构在功能上整合到大脑类器官中。

 

研究流程

 

单细胞测序进行细胞分群、基因表达分析和拟时间分析

 

百奥益康类器官单细胞测序一站式服务

百奥益康通过现有成熟的单细胞测序技术平台，可利用单细胞测序技术对类器官在细胞、基因和功能层面评估和真实器官的相似程度，给优质类器官的生成和筛选提供质控标准；另外可分析类器官的动态转录，了解器官的发育分化；并可解析类器官细胞之间，与周围基质之间的互作等。

 

 

 

参考文献

1. Georgakopoulos N, Prior N, Angres B, et al. Long-term expansion, genomic stability and in vivo safety of adult human pancreas organoids. BMC Dev Biol. 2020;20(1):4.
2. Corrò C, Novellasdemunt L, Li VSW. A brief history of organoids. Am J Physiol Cell Physiol. 2020;319(1):C151-C165.
3. Li R, Zhong C, Yu Y, et al. Generation of Blastocyst-like Structures from Mouse Embryonic and Adult Cell Cultures. Cell. 2019;179(3):687-702.e18.
4. Gabriel E, Albanna W, Pasquini G, et al. Human brain organoids assemble functionally integrated bilateral optic vesicles. Cell Stem Cell. 2021;28(10):1740-1757.e8.