编辑推荐：
研究人员针对当前类器官模型存在细胞状态评估困难、数据集分散等问题，整合218个样本近百万细胞的单细胞转录组数据，构建了首个人类内胚层衍生类器官细胞图谱(HEOCA)。该研究系统比较了PSC/FSC/ASC来源类器官的细胞组成差异，建立了评估类器官保真度的新方法，并揭示了肠道和肺类器官在模拟发育阶段和疾病模型中的独特价值，为人类发育研究和精准医疗提供了重要资源。
在生命科学和医学研究领域，人类类器官技术正掀起一场革命。这些由多能干细胞(PSC)、胎儿干细胞(FSC)或成体干细胞(ASC)培育而成的三维微型器官，能够模拟真实器官的关键结构和功能特征，为研究人类发育、疾病机制和药物筛选提供了前所未有的平台。然而，随着类器官技术的快速发展，一系列挑战也随之浮现：不同实验室采用的培养方案千差万别，细胞来源各异，导致类器官模型的保真度参差不齐；海量的单细胞转录组数据分散在不同研究中，缺乏统一标准进行比较；更重要的是，如何评估类器官是否真实再现了体内对应组织的细胞状态，仍缺乏系统的方法。这些问题严重制约了类器官技术在基础研究和临床转化中的应用。
为解决这些关键问题，来自瑞士罗氏人类生物学研究所、德国慕尼黑工业大学等机构的研究团队在《Nature Genetics》发表了开创性研究。研究人员整合了218个实验样本、近百万个细胞的单细胞RNA测序(scRNA-seq)数据，构建了首个全面的人类内胚层衍生类器官细胞图谱(HEOCA)。该图谱覆盖了肺、肝、胰腺、肠道等9种内胚层器官的类器官模型，系统比较了不同干细胞来源(PSC/FSC/ASC)类器官的细胞组成差异，并开发了评估类器官保真度的新方法。研究不仅为类器官研究提供了重要参考标准，还揭示了这些模型在模拟人类发育和疾病方面的独特价值。
研究团队采用了多项关键技术：1)整合来自54个已发表数据集和新生成数据的scRNA-seq数据，应用优化的scPoli算法进行跨数据集整合；2)建立三级细胞类型注释系统(level1-3)统一不同研究的命名；3)开发sc2heoca工具包实现新数据与图谱的比对分析；4)通过计算相似性和投影概率评估类器官与胎儿/成体组织的对应关系；5)应用Drug2Cell(D2C)和scDECAF分析药物靶点特征。特别值得注意的是，研究包含了来自健康捐赠者和患者的原代组织样本作为参照。
研究结果部分，首先通过"数据整合构建类器官图谱"展示了HEOCA的全面性。整合的806,646个细胞来自9种器官的类器官模型，采用多种测序平台(10x Genomics/Smart-seq等)。通过12种整合方法的系统比较，最终选择scPoli获得最优整合效果，鉴定出5大类(level1)、48种(level2)和51亚型(level3)细胞状态。研究发现不同器官来源的类器官中存在共享细胞类型，如杯状细胞(goblet cells)同时存在于肠道(68.08%)和肺(31.84%)类器官中，提示类器官可能存在脱靶分化现象。
在"参考图谱比较评估类器官保真度"部分，研究将类器官数据映射到胎儿和成体组织参考图谱。结果显示PSC来源类器官更接近胎儿组织(23.28-83.63%映射率)，而ASC来源类器官则更接近成体组织(98.14%映射率)。通过邻域图相关性分析量化相似性，证实ASC类器官与成体组织相似度最高，PSC类器官则与胎儿组织最相似，FSC类器官呈现中间状态。这种差异反映了不同干细胞来源类器官模拟发育阶段的能力差异。
"肠道类器官图谱覆盖发育和成体生物学"部分聚焦353,140个肠道类器官细胞的深入分析。整合数据揭示了从十二指肠到结肠的细胞状态多样性，包含上皮、间质、神经等多种细胞类型。时间序列分析显示PSC来源类器官随培养时间延长逐渐获得更复杂的细胞组成，且移植到小鼠体内后成熟度显著提高。与原发性组织比较发现，PSC类器官模拟胎儿肠道特征，而ASC类器官再现成体特征，FSC类器官则在培养过程中逐渐丢失胎儿特征。
"肺类器官图谱"部分分析了221,425个肺类器官细胞。PSC来源类器官富含早期内胚层标志物(FABP1/AFP)，而ASC来源类器官则包含更多club细胞。映射分析再次验证了PSC类器官模拟胎儿肺发育，ASC类器官模拟成体肺组织的规律。研究还提供了详细的培养方案元数据，为优化肺类器官培养提供了宝贵资源。
在"方案评估和新数据投影"部分，研究展示了HEOCA的实际应用价值。通过sc2heoca工具包，研究人员评估了多种新型类器官培养方案：1)TNF/RANKL处理显著增加肠道类器官中M细胞比例(0%→34.92%)；2)微流控芯片培养的结肠类器官表现出更高的结肠细胞分化比例(20.45%→66.97%)；3)肺泡和气道类器官分化时间进程显示细胞类型特异性成熟轨迹。这些案例证明了HEOCA在优化类器官培养方案中的实用性。
"扰动和疾病模型扩展类器官细胞状态"部分展示了HEOCA在疾病研究中的应用。干扰素(IFN)和炎症因子(TNF/OSM等)处理诱导的基因表达变化与炎症性肠病(IBD)患者上皮细胞特征高度相似。结直肠癌(CRC)类器官分析发现癌细胞中干细胞比例升高而成熟结肠细胞减少，并鉴定出CEACAM6/SPINK1等癌症标志物。慢性阻塞性肺病(COPD)类器官研究则发现支气管基底细胞存在疾病特异性状态，表达PSCA/BPIFB1等COPD相关基因。这些发现验证了HEOCA在识别疾病相关细胞状态方面的强大能力。
药物靶点分析揭示了不同来源类器官的独特特征。ASC来源肠道类器官在消化代谢相关靶点上活性显著，而PSC来源类器官则更多表达发育相关靶点。比较肺和肠道类器官发现，虽然共享某些细胞类型(如干细胞、杯状细胞)，但药物反应特征存在明显器官特异性，这对精准药物开发具有重要指导意义。
这项研究通过构建首个全面的人类内胚层类器官细胞图谱，解决了类器官研究领域的多个关键挑战。HEOCA不仅提供了评估类器官保真度的金标准，还揭示了不同干细胞来源类器官模拟发育阶段的能力差异，为研究者选择合适模型提供了依据。开发的sc2heoca工具包实现了新数据与图谱的无缝整合，大大提高了类器官数据分析的效率。更重要的是，研究证明了HEOCA在优化培养方案、识别疾病状态和预测药物反应方面的广泛应用价值。这些成果将显著推动类器官技术在发育生物学、疾病机制研究和个性化医疗中的应用。随着更多数据的不断加入，HEOCA有望发展成为类器官研究的核心资源，加速人类生物学研究和转化医学的发展。
生物通微信公众号
生物通 版权所有
