近日，北京博奥晶典生物技术有限公司合作客户北京大学邓宏魁研究员团队与其合作者在Cell Research杂志上发表了利用单细胞测序研究肠道类器官构建的文章“Establishment of intestinal organoid cultures modeling injury-associated epithelial regeneration”，至此，博奥晶典单细胞平台已累计支持客户发表文章29篇，累计影响因子达369.264分，是目前国内单细胞方向支持发文最多、累计影响因子最高的公司。
上皮损伤修复肠道类器官模型的构建
Establishment of intestinal organoid cultures modeling injury-associated epithelial regeneration
【发表期刊】 Cell Research
【影响因子】 20.507
【发表时间】2021年01月08日 线上发表
摘要
为弥补普通类器官培养（ENR类器官）只能反应稳态下干细胞及其分化细胞状态的不足，研究组利用由8个化学组分构成的新型肠道类器官培养系统，在体外建立了具有损伤再生特征的新型肠道类器官，称为增生性肠道类器官（Hyper类器官）；基于Hyper类器官，研究者利用单细胞RNA测序鉴定了类器官中不同的再生干细胞亚群，发现它们与体内损伤模型干细胞有相同的分子特征；进一步分析鉴定了Hyper类器官基因组重编程和再生的关键调控小分子，并发现它们是通过表观调控YAP信号传导来发挥作用。这项工作为研究上皮组织器官再生提供了新型的体外模型，同时也揭示了表观遗传调控在器官再生中的重要性。
研究背景
3D类器官技术能够在体外模拟体内器官组织的三维结构和生理功能，已被广泛应用于疾病模型建立、药物筛选和宿主-微生物等多种研究中，显示出广泛的应用前景。传统的类器官技术存在明显的缺陷：模拟了体内稳态环境下干细胞及其分化细胞的相互作用，无法呈现损伤再生条件下的器官组织变化。如何在体外建立能够捕获损伤态干细胞的类器官培养方法，是类器官研究及应用面临的重要挑战。
研究结果
结果一：
损伤再生肠道类器官模型的构建
研究组以类器官研究中普遍使用的肠道类器官为筛选模型，开展了大规模的化学小分子和细胞因子的筛选，发现一个由8个化学成分组成的培养条件（简称8C），能够在小肠类器官培养过程中启动损伤再生基因的表达，生长出更加复杂的出芽结构。这种类器官被命名为增生性肠道类器官，简称Hyper类器官（Hyper-organoid）。
图1 传统ENR条件和8C条件诱导的小肠类器官形态（上图）及再生基因表达（下图）
结果二：
单细胞测序揭示Hyper类器官的谱系组成
研究人员接下来利用单细胞RNA测序技术，比较了Hyper类器官与ENR类器官的差异。整合数据一共将细胞分为17个亚群，与ENR相比，Hyper类器官中显著富集了Lgr5+肠道干细胞群和Clu+复活样干细胞（revival-like stem cells）群，这些干细胞群体与体内发现的肠道损伤态干细胞具有相似的分子特征和属性。通过谱系追踪和单细胞重建类器官实验，作者进一步证实Hyper类器官中的Lgr5+细胞具有肠道干细胞的功能。
图2 单细胞测序鉴定Hyper和ENR类器官的细胞亚群（左上）、细胞组成比例（左下）以及亚群特征基因表达情况（右图）
结果三：
VPA和EPZ6438在Hyper类器官形成中有关键作用
进一步分析发现两个表观遗传小分子VPA和EPZ6438在8C条件中发挥着关键作用，调控了Hyper类器官中损伤再生相关的分子和表型特征的诱导及维持，特别是对于损伤态干细胞的诱导具有决定性作用。机制研究分析进一步阐明VPA和EPZ6438主要通过调控YAP通路下游基因的激活发挥作用，这一作用很可能是通过降低小肠类器官YAP下游靶基因的H3K27me3甲基化水平来实现的。
图3 Hyper类器官的干细胞群（左图）和正确路径细胞（右图）富集YAP靶基因表达
结果四：
体内动物实验验证VPA和EPZ6438联合处理能促使损伤肠道组织再生
对VPA和EPZ6438的联合处理能否促进体内小肠组织在损伤条件下的再生修复进行测试，发现这个组合在辐照诱导的小肠损伤小鼠模型中能够有效增强再生反应，显著上调辐照小肠隐窝的YAP下游靶基因，并且这些基因的H3K27me3水平有明显的下调。
图4 VPA和EPZ6438介导的表观重编程促进小肠类器官和小鼠肠道隐窝获得再生特征
研究结论
该研究在体外建立了具有损伤再生特征的新型类器官模型，该模型克服了类器官技术在体外无法模拟损伤再生条件下器官组织变化的缺陷，能够捕获并维持器官再生中的损伤干细胞群，同时具备在体外高效扩增和长期维持的能力，为未来利用类器官技术在研究器官再生、建立疾病损伤模型和药物筛选等方面提供了更加广阔的应用前景。
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