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类器官(Organoid)作为体外新兴人源化模型,因其在组织结构、细胞类型、自我更新能力和功能等方面与来源组织高度一致,在2013年被 Science 期刊评为年度十大技术,在2017年被 Nature methods 评为年度方法,已经成为时下生命科学领域炙手可热的研究方向。而单细胞测序技术也是近年来受到青睐的明星技术,分别在2018年和2019年被 Science 期刊评为年度十大技术,被 Nature methods 评为年度方法。将类器官模型与单细胞测序相结合,利用单细胞测序技术从从细胞、基因和分子层面分析类器官和真实器官的相似程度,可以监测类器官中动态转录情况,解析机体的发育分化进程以及类器官细胞之间与周围基质的互作和信号通讯等。所以,单细胞测序和类器官这两项技术的联合会成为了的研究热门势不可挡,是将前沿医学研究领域和科学研究探索推入一个新高度的重要手段。
那么,新兴类器官技术与明星技术单细胞测序会碰撞出怎样的科研火花?实验中会遇到那些问题?二者结合如何推动科研进步?且听桢桢娓娓道来~
Q
近10年来类器官和单细胞测序发展情况?
用“Organoid”和“single cell RNA-seq”两个关键词在PubMed上检索标题带有该关键词的文章,从2012年至今共计441篇。
Q
为什么类器官结合单细胞测序会成为研究热点?
随着科学研究的发展,类器官因为与体内组织器官相似的生理结构,能够准确模拟细胞间及细胞与周围基质之间的相互作用,类器官在器官发育、精准医疗、再生医学、药物筛选、基因编辑、疾病建模等领域具有广泛的应用前景。目前,类器官培养已用于包括肠道、肝脏、胰腺、肾脏、前列腺、肺、大脑等多种组织。将单细胞测序技术与类器官模型相结合,可以从细胞、基因和分子层面分析类器官和真实器官的相似程度,监测类器官中动态转录情况;也可以通过细胞分群对肿瘤类器官中的异质性细胞进行区分,研究肿瘤内细胞间的互作,从而深入解析肿瘤发生发展的机制,用于指导临床用药和精准治疗。所以,两者强强联合将会成为医学和生物学的研究热点。
Q
类器官联合单细胞测序技术的研究路线?
Q
类器官送样标准及细胞数量?
准备4-6个24孔板的类器官,确保类器官细胞量在5x106个,收集后去除干净基质胶,将类器官沉淀放入保存液中,放在冰上4℃运输(用泡沫缓冲,避免类器官直接与冰直接接触),24-48h送到。
Q
类器官进行单细胞测序上样体积?
上样体积40ul左右,大概1x104-2x104个细胞。
Q
类器官样本的单细胞检测需不需要重复?
同组的类器官样本遗传背景和培养条件都是尽可能保持一致的,一组保留至少3个重复样本,方便后续统计分析。
Q
怎么确定类器官模型中有哪些细胞类型?
一般有两种情况,对于公认现有marker,可以通过marker基因表达情况来定义细胞类型(例如上皮细胞、T细胞、成纤维细胞等)。第二种情况,对于正在分化过程中的细胞,在没有marker基因表达确定的细胞,可以通过功能通路来定义细胞类型。
Q
单细胞测序在类器官研究中的应用?
类器官建立:①培养条件优化;②发育过程分析
类器官评估:①转录组分析;②细胞类群分析;③病理组成分析
类器官模型:①药物筛选;②耐药机制研究;③分化发育研究;④突变机制研究
单细胞测序与类器官的应用场景主要分为以上三大类,其他结合应用场景细分如下图所示:
Q
为什么单细胞测序技术可以助力类器官的组织发育研究?
体外类器官由干细胞发育而来,能够模拟组织器官的发育过程,通过对不同时期的类器官进行比较,可以研究组织器官发育过程中重要的调控因子。单细胞测序技术能够解析发育过程中细胞组织的变化,以及基因表达水平的改变,能够深入挖掘组织器官发育中的关键调控因子。可以通过单细胞转录组测序的拟时分析,探究类器官细胞的分化发育轨迹;同时可以通过单细胞染色质可及性分析探究类器官细胞发育早期染色质的开放特征,将细胞发育和表观遗传相关联。
Q
为什么单细胞测序技术助力类器官的肿瘤异质性研究?
由于在肿瘤生长过程中,肿瘤细胞呈现出多种改变,从而使肿瘤的生长速度、侵袭能力、对药物的敏感性、预后等各方面产生差异。那么结合单细胞测序进行细胞异质性研究,可以通过细胞分群区分类器官中的各类异质性细胞,研究肿瘤内不同类型细胞间的互作,从而深入探究肿瘤发生发展的机制,解析疾病肿瘤的亚型。
Q
单细胞测序如何助力类器官药物筛选和耐药机制研究?
类器官是人源化模型,人体类器官更能反应人体对药物的反应,来源于人体肿瘤的类器官也更能准确反应耐药机制,可以为临床用药提供准确的指导,而这些研究通常需要丰富的细胞种类。借助单细胞测序技术依据无偏捕获细胞被标记且通量高的特性,可以完成多种细胞类型对多种药物敏感程度的实验,分析单细胞测序结果,分析类器官细胞基因的表达变化情况,筛选最优药物,同时探究细胞耐药和药物作用机制。
近年来,类器官技术的出现加速了肿瘤学、发育学、药物研发等多个领域的发展。随着单细胞测序技术的发展,已经延伸出了单细胞RNA测序、单细胞ATAC测序、动态转录组测序和空间转录组测序等多组学技术。因此,将类器官技术与单细胞测序技术相结合,能极大程度地推动生命科学领域的发展,更能高效的为人类医疗服务。
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