人类内胚层衍生类器官的综合转录组学细胞图谱

近年来，类器官技术在生物医学研究领域取得了显著进展，为研究人类组织发育、疾病机制和药物筛选提供了前所未有的体外模型系统。类器官是指从多能干细胞、胎儿干细胞或成体干细胞衍生的三维细胞培养物，能够在一定程度上重现组织的细胞组成、空间结构和功能特性。然而，不同研究团队所采用的干细胞来源、培养条件和实验方案的差异，使得评估类器官与体内组织的相似度和比较不同研究间的结果变得极为困难。缺乏统一的标准和集中的数据资源，不仅限制了对类器官模型准确性的评估，也阻碍了鉴定缺失或非特异性细胞类型以及预测基因调控分化的能力。内胚层在胚胎发育过程中贡献了多种重要器官的上皮组织，包括甲状腺、食管、肺、胰腺、肝脏、胆系统、胃、小肠和结肠。这些组织的类器官模型在研究人类特异性生物学过程和疾病方面具有巨大潜力。然而，目前尚缺乏一个综合的、多源头的内胚层衍生类器官细胞图谱，这严重阻碍了对类器官细胞状态的全面理解和不同研究成果的整合分析。

近日，科研人员在Nature genetics发表题为An integrated transcriptomic cell atlas of human endoderm-derived organoids的研究性论文。研究旨在建立人类内胚层衍生类器官的综合转录组学细胞图谱，通过整合来自不同研究团队、不同干细胞来源和不同实验方案的单细胞RNA测序数据，为评估类器官的细胞组成、发育状态以及与原始组织的相似度提供重要参考，同时为进一步优化类器官培养方案、模拟疾病状态和药物筛选奠定基础。

研究结果

1) 综合类器官图谱的构建与整合

研究团队构建了人类内胚层衍生类器官综合细胞图谱(HEOCA)，整合了54项已发表研究和1项新产生的数据集，共包含218个样本中的806,646个单细胞转录组，覆盖了肺、肝脏、胆系统、胃、胰腺、小肠和大肠、前列腺、唾液腺等9种不同器官的类器官模型。这些数据来自多种测序方案，包括基于平板的方法(如Smart-seq、CEL-seq和Sort-seq)以及商业化的基于液滴的方法(如10x Genomics)。研究团队基于细胞特异性标记基因表达和聚类间差异表达分析对每个数据集进行了细胞注释，建立了三级层次的细胞类型注释系统：第一级为细胞类别，第二级为细胞类型，第三级为细胞亚型。为解决批次效应并实现强大的图谱整合，研究人员评估了12种不同的数据整合方法，并选择了scPoli方法生成所有类器官细胞的综合嵌入，实现了对多样化数据的连贯表示。

图1 人内胚层来源器官的整合转录组细胞图谱

2) 类器官与原始组织对比分析

为评估在HEOCA中观察到的细胞状态的真实性，研究团队获取了已发表的成人(小肠、大肠、肺、肝脏、胰腺、前列腺、唾液腺)和胎儿(小肠、大肠、肺、肝脏、胰腺、胃、食管)内胚层衍生器官的单细胞RNA测序数据作为参考。通过将类器官细胞投影到胎儿和成人原始组织图谱，并通过标签转移推断目标组织，研究人员能够评估类器官中的靶向和非靶向细胞。研究发现，相比于胎儿干细胞(FSC)和成体干细胞(ASC)衍生的类器官，多能干细胞(PSC)衍生的类器官在与胎儿和成人原始组织对比时表现出较低的靶向百分比。研究人员从每个成人和胎儿组织中识别了主要细胞类型，并使用邻域图相关性比较类器官细胞类型和状态与原始组织对应物的相似性。分析显示，ASC衍生的类器官与成人对应物相似度最高，而PSC衍生的类器官与胎儿对应物最为相似，FSC衍生的类器官细胞状态则表现出中间分布。

图2 来自不同干细胞来源的人类肺类器官生成发育中和成年细胞状态

3) 肠道和肺类器官分析

研究团队对肠道和肺类器官进行了深入分析，这两种类器官系统在图谱中有充分的覆盖。肠道类器官子图谱由来自23项不同研究的98个样本组成，代表353,140个单细胞转录组。这些包括从十二指肠、回肠、结肠和PSC衍生的类器官中的上皮状态，以及大量的间充质细胞和少量的神经、内皮和免疫细胞类型。研究团队将干细胞和肠细胞进行了子集划分和重新整合，发现来自不同来源或组织的细胞聚集在一起，并表现出不同的基因表达谱。通过比较类器官与原始参考组织，研究发现PSC衍生的类器官类似于胎儿组织，而FSC和ASC衍生的类器官则与成人组织更为相似。肺类器官子图谱由来自13项研究的52个样本组成，包含221,425个细胞。PSC衍生的类器官表现出更高比例的低分化的早期内胚层发育标记基因(如FABP1和AFP)定义的祖细胞，这些细胞在ASC衍生的类器官中基本缺失。ASC衍生的类器官经常含有相关比例的杯状细胞，而大量的杯状细胞和神经内分泌细胞主要在使用FSC方案生产的样本中观察到。

4) 协议评估与新数据投影

研究团队开发了工具包(sc2heoca)来整合类器官数据集并与HEOCA中的细胞状态进行比较。此工具包提供了比较样本与组织参考、评估"靶向或非靶向"状态和细胞状态成熟度的功能。研究人员应用此工具包评估了类器官协议、扰动和疾病模型。例如，验证了肿瘤坏死因子(TNF)途径调节促进肠道类器官中M细胞丰度的发现;评估了在流体芯片中支架引导水凝胶上种植人类结肠ASC衍生类器官形成的结肠上皮组织，该协议导致结肠细胞分化和成熟，与对照样本相比表现出明显更高比例的结肠细胞;分析了两个肺祖细胞类器官的时间序列数据集，这些类器官分化为肺泡或气道类器官，结果显示细胞随着分化过程逐渐映射到相应的肺泡或气道上皮特性。

5) 扰动与疾病模型分析

研究团队利用HEOCA作为队列来评估类器官扰动，进行了两项扰动实验，旨在模拟病毒感染反应(干扰素α、β和γ)和急性病原体炎症(TNF、OSM、IFNγ、SCF、IL-6、IL-17A和IL-18)。分析显示，与对照样本相比，病毒反应和炎症样本在所有细胞类型中都表现出更高的与图谱的距离。差异表达分析揭示了618个特定于病毒反应的基因(如ISG15、OAS1-3)，259个特定于炎症的基因(LCN2、IL32、TNFAIP2)，717个共享基因(STAT1、WARS1)和996个在图谱中上调的基因。研究团队还评估了HEOCA在理解疾病模型方面的实用性，包括结直肠癌(CRC)和慢性阻塞性肺疾病(COPD)模型的分析。CRC样本表现出较低比例的成熟结肠细胞、较高比例的干细胞以及间皮细胞的出现。距离分析有效区分了癌症和正常细胞，其中干细胞和结肠细胞显示最大偏差，而杯状细胞保持更接近正常状态。COPD模型分析显示，鼻咽类器官与健康样本相似，而支气管COPD类器官表现出增加的杯状细胞比例和较少的基底细胞，与原始研究的发现一致。

全文总结

这项研究建立了首个人类内胚层衍生类器官综合细胞图谱，为理解类器官细胞组成、评估类器官与原始组织的相似性以及比较不同类器官模型之间的差异提供了重要基础。这一资源使研究人员能够评估类器官模型的准确性，鉴定缺失或非特异性细胞类型，并预测基因调控分化的因素，从而促进类器官技术的进一步发展和优化。研究结果表明，不同来源的干细胞(多能干细胞、胎儿干细胞和成体干细胞)衍生的类器官在模拟不同发育阶段方面具有互补性：PSC衍生的类器官更适合模拟早期胎儿发育，而ASC衍生的类器官则更接近成人组织状态，FSC衍生的类器官则表现出中间特性。这一发现为选择合适的类器官模型以研究特定发育阶段或疾病状态提供了重要指导。

研究团队开发的sc2heoca工具包和分析框架使研究人员能够将新的类器官数据集整合到已建立的参考图谱中，评估细胞类型组成、成熟状态和与原始组织的相似性，并鉴定扰动或疾病相关的基因表达变化。这一工具集将极大促进类器官技术的标准化和优化，支持不同研究间的结果比较，并加速类器官在疾病建模和药物筛选中的应用。该研究通过对肠道和肺类器官的深入分析，揭示了细胞组成和分化轨迹的动态变化，为理解这些组织的发育和功能提供了新见解。此外，对炎症和病毒感染等扰动条件下类器官细胞状态的分析，以及对结直肠癌和COPD等疾病模型的评估，证明了HEOCA作为参考框架在研究疾病机制和识别治疗靶点方面的潜力。

总之，这项研究建立的人类内胚层衍生类器官综合细胞图谱为生物医学研究提供了宝贵资源，将促进对人类发育、生理和疾病机制的更深入理解，并加速类器官技术在精准医疗、药物开发和再生医学中的应用。随着更多类器官数据的整合和分析框架的完善，这一资源将持续推动类器官领域的发展，为生物医学研究开辟新的可能性。