9文聚焦：助力肠道类器官培养，推进疾病研究和临床转化

Science——[47.728]

① 微环境力学的循环模式化和预定的水凝胶微地形，可用来建立具有可控初始尺寸和形状的类器官，并能够预测和影响其发展过程；② 体内类似组织的几何形状可以通过建立细胞包装和形态的可重复的局部差异，来驱动立体的上皮细胞模式；③ 这些细胞形态的差异会导致Yes相关蛋白1机械感应/传导和Notch信号的空间异质性，并反过来通过定位Paneth细胞的分化和抑制干细胞的命运，指定 “隐窝 ”和 “绒毛 ”状区域，从而使随机的过程更具有确定性。

上皮类器官是干细胞衍生的组织，各个方面与真实器官接近，因此是基础研究和临床转化研究的有力工具。然而，类器官形成的结构往往是异质的和不可复制的，这限制了它们在实验室和临床的应用。Science发表的文章，介绍了在空间和时间上控制类器官形成的方法，从而使随机的过程更具有确定性。生物工程干细胞微环境被用来指定肠道类器官的初始几何形状，这反过来又控制了它们的绒毛和隐窝形成。对类器官的形成和所产生的结构进行控制，既可以了解潜在的形态-发病机制，又可以建立与体内对应部分更相似的模型。（@NL）

Tissue geometry drives deterministic organoid patterning

2022-01-07, doi: 10.1126/science.aaw9021

Nature Communications——[14.919]

① 使用高通量、基于图像的分析，量化使用500多个药物小分子治疗后结直肠癌类器官的表型；② 病人衍生的癌症器官表现形态异质性，其大小和器官结构与供体有关；③ 类器官的大小，DNA和肌动蛋白染色的纹理和形状信息，可预测类器官的生存能力；④ LGR5+干细胞相关基因的表达增加与囊性肿瘤结构有关，对Wnt信号抑制剂的敏感性增加，这些都可通过MEK的抑制来诱发；⑤ IGF1R信号与类器官大小的增加、EGFR抑制剂活性的降低有关，并可由mTOR抑制诱发。

患者衍生的器官类似于组织和肿瘤的生物学特性，能够对人类疾病进行体外建模，但它们具有异质性的形态，其生物学原因和与治疗反应的关系尚不清楚。Nature Communications发表的研究，报告了一项针对患者衍生的癌症器官的大规模基于图像的表型研究，以了解支配器官形态的潜在因素。来自11位患者的结直肠癌细胞被500多种不同浓度的实验性和临床使用的小分子药物处理，从3,700,000多张共聚焦显微镜图像中系统地绘制了患者衍生的类器官的形态异质性以及它们对化合物扰动的反应。结果发现，由此产生的类器官表型景观主要由类器官大小、存活率和囊状与实心类器官结构的差异驱动。同时，利用多组学因素分析整合类器官形态、大小、基因表达、体细胞突变和药物活性，研究还确定了这些表型背后的生物程序和调控它们的小分子。（@NL）

The drug-induced phenotypic landscape of colorectal cancer organoids

2022-06-06, doi: 10.1038/s41467-022-30722-9

Nature Communications——[14.919]

① 商业化基质Matrigel由于肿瘤来源、批次间差异、高成本和安全的问题限制了类器官的应用；② 在源自去细胞化的组织细胞外基质（ECM）水凝胶中生长的胃或肠类器官，表现出与 Matrigel 类器官相当或更优的分化特征和组织功能；③ 胃肠道来源的ECM水凝胶能重建胃肠道模拟微环境以支持胃肠道类器官的长期继代培养和移植，可作为 Matrigel 的高效替代品；④ 蛋白质组学分析表明，ECM水凝胶的组织特异性和年龄是影响类器官培养关键因素。

Matrigel是一种小鼠肿瘤细胞外基质蛋白混合物，是大多数类器官组织培养中不可缺少的成分。然而，由于其批次与批次之间的差异，高成本和安全问题，限制了器官组织在药物开发和再生医学方面的效用。Nature Communications发表的研究，开发了一种利用组织细胞外基质（ECM）水凝胶作为Matrigel替代品，用于消化道类器官培养的方法。利用该替代品培养的类器官，可适用于胃肠道疾病建模、药物开发和组织再生等研究。（@NL）

Tissue extracellular matrix hydrogels as alternatives to Matrigel for culturing gastrointestinal organoids

2022-03-30, doi: 10.1038/s41467-022-29279-4

Nature Biomedical Engineering——[25.671]

① 高通量类器官分化筛查，发现了促进潘氏细胞功能的化合物KPT-330 ；② KPT-330对XPO1的抑制，可增强潘氏细胞的分化；③ 类器官分化的纵向scRNA-seq谱分析显示，KPT-330通过改变肠道干细胞来驱动潘氏细胞分化；④ KPT-330改变了整个小鼠类器官细胞类型的信号和转录因子活性，KPT-330介导的XPO1抑制作用，驱动干细胞特异性和泛上皮反应以诱导分化；⑤ 人小肠类器官中，KPT-330介导的的XPO1抑制作用，同样可以促进潘氏细胞分化。

屏障上皮的细胞组成对机体的平衡至关重要。然而，目前还缺乏识别调节上皮细胞组成和功能的生物靶标以及调节它们的小分子的方法。Nature Biomedical Engineering发表的研究，发现了肠道干细胞分化的可药用生物靶点Xpo1（Exportin 1 inhibitor）和小分子调节剂KPT-330。Xpo1的抑制剂KPT-330，可以调节肠道干细胞的命运，显著增加器官模型和野生型小鼠中Paneth细胞的丰度。总的来说，该研究提供了一个可借鉴的研究模式，用来发现药物靶点，以合理地调节肠道上皮屏障。（@NL）

Screening for modulators of the cellular composition of gut epithelia via organoid models of intestinal stem cell differentiation

2022-03-21, doi: 10.1038/s41551-022-00863-9

Nature Chemical Biology——[15.04]

① 悬浮培养增加了类器官的可扩展性，用IGF-1和FGF2组合替代p38抑制剂促进克隆类器官形成，新的高通量筛选系统能够对各种类器官（包括正常类器官）进行易于处理的药物筛选分析；② 溴结构域和末端外结构域 (BET) 抑制是治疗CRC患者的可行选择，与癌症特异性一致，JQ1 抑制了CRC 类器官中独特且异常表达的基因表达；③ 多组学分析确定了带有叉头和环指结构域（CHFR）的检查点与紫杉醇敏感性之间的关联，并通过基因工程和异种移植得到验证。

精准肿瘤学假定，在肿瘤分子特征的基础上能对药物反应进行准确预测。然而，患者衍生的肿瘤器官在多大程度上能够再现体内肿瘤对给定药物的反应，仍然不清楚。为了深入了解人类结肠直肠癌（CRC）的药物生物学，Nature Chemical Biology发表的文章，在此为患者来源的结肠直肠器官建立了一个强大的药物筛选平台，适用于广泛的患者衍生的结直肠器官。利用结直肠肿瘤类器官库进行药理学分析，确定了不由基因突变决定的癌症特定的脆弱性。我们的结果阐明了由分子异常形成的药物基因组学景观，并强调了使用病人衍生的器官进行表型驱动的筛选在提供新的治疗策略方面的价值。（@NL）

Organoid screening reveals epigenetic vulnerabilities in human colorectal cancer

2022-03-10, doi: 10.1038/s41589-022-00984-x

Gut——[23.059]

① 胃肠道类器官是一个不同粘膜上皮细胞群的集合体，在消化道中，上皮成体干细胞是多能细胞，在发育过程中变为产生肠道特定部位功能所需的分化细胞；② 多能干细胞有两种不同类型：ESCs和iPSCs，都具有可塑性和自我更新的能力；③ 多细胞类器官可以建立组织微环境模型，用于上皮-神经相互作用研究等；④ 工程类器官可突破类器官的技术局限性，提高实验可重复性及筛选通量；⑤ 类器官培养可用于疾病建模、药物发现，可移植组织和器官治疗的来源。

Gut近期发表的综述文章中，讨论了消化道器官从实验模型到临床转化的潜在应用，包括该领域的最前沿的进展，如新型复杂的培养系统等。该领域的发展或可提供新的消化道疾病诊断和治疗方法。（@NL）

Organoids in gastrointestinal diseases: from experimental models to clinical translation

2022-05-30, doi: 10.1136/gutjnl-2021-326560

Nature Protocols——[13.491]

① 使用DSS在小鼠结肠远端造成上皮损伤，利用柔性导管将类器官注入，类器官随后附着在受伤区域并重建供体来源的上皮；② 该方案已成功应用于从成人结肠和小肠上皮，及胎儿小肠WT和基因工程上皮细胞的来源的类器官；③ 相较于其他方案，该方案操作简便，为类器官作为再生疗法提供了临床前模型；④ 本方法的改进之处：取消细胞输注前过夜禁食、减少输注次数、输注后使用丙烯酸胶密封肛门、DSS给药后液体治疗，可减少动物痛苦并提高成功率。

类器官细胞可以移植到体内，用于疾病建模和作为再生医学的临床前工具。Nature Protocols发表的研究，详细描述了如何将上皮细胞类器官移植到受体小鼠的结肠中。在这个实验中，通过使用硫酸葡聚糖钠，在结肠远端诱导上皮损伤，并通过肛门将类器官注入管腔空间。注入的器官随后附着在受伤区域并重建供体来源的上皮。该方法为其他结肠损伤模型后的移植提供了技术基础。（@NL）

Transplantation of intestinal organoids into a mouse model of colitis

2022-02-02, doi: 10.1038/s41596-021-00658-3

Nature Protocols——[13.491]

① 该研究介绍了对人类肠道组织衍生的类器官进行遗传修饰的实验方案；② 此方案中使用修饰的融合LentiCRISPRv2-小的引导RNA，在慢病毒中来表达Cas9和小引导RNA，对感兴趣的基因进行敲除；③ 同时介绍了基因递送和敲除细胞的单细胞克隆的步骤，以及验证克隆和突变位点的序列鉴定，以建立敲除克隆的步骤；④ 还介绍了如何使用肠道类器官作为体外模型，通过敲除宿主附着因子或先天免疫基因来评估病毒复制的宿主限制因素。

人类肠道组织衍生的类器官，是胃肠道研究的强大体外模型。对其进行基因修饰，可以对肠道疾病所涉及的基因功能和生物过程以及胃肠道和供体段的特定功能有新的认识。Nature Protocols发表的文章，提供了一个详细的实验策略，使用CRISPR-Cas9基因组编辑系统，通过慢病毒转导和单细胞克隆，可敲除肠道类器官中感兴趣的基因。（@NL）

Generation of CRISPR-Cas9-mediated genetic knockout human intestinal tissue-derived enteroid lines by lentivirus transduction and single-cell cloning

2022-02-23, doi: 10.1038/s41596-021-00669-0

Nature Methods——[28.547]

① 开发了一套mRNA捕获珠和细胞共同封装的滴注系统，DisCo，可处理低投入的样品；② DisCo通过结合机器视觉和多层微流控技术，实现了精确的粒子和细胞定位和液滴分选控制，能以高捕获效率和每小时350个细胞的速度，连续处理低投入的单细胞悬液；③ Disco分析处于不同发育阶段的肠道器官，显示了广泛的类器官异质性，证实了Disco的独特能力；④ DisCo分析发现了单个肠道隐窝之间的细胞变化，证明DisCo处理低细胞输入、体内衍生组织的能力。

目前的单细胞RNA测序（scRNA-seq）方法主要针对大型细胞输入（>1,000个细胞），这使得它们在处理小的、单独的组织样品时效率低下且成本高。Nature Methods发表的研究，为低细胞输入的scRNA-seq开发了一个确定性的、mRNA捕获珠和细胞共同封装的液滴系统（DisCo），DisCo可以有效地处理只含有几百个细胞的样品，识别类器官的异质性。未来，这种方法或能适用于罕见的小型临床样本，以增加对疾病相关细胞异质性和动态的了解。（@NL）

Deterministic scRNA-seq captures variation in intestinal crypt and organoid composition

2022-02-14, doi: 10.1038/s41592-021-01391-1

感谢本期日报的创作者：NL，大力，orchid，Johnson