Nature：利用肠道类器官进行高通量药物筛选鉴定肠道类器官表型图谱

过去十年中，多种组织来源的类器官均能够展现出亲缘器官的细胞组成和多种功能，被证明能完美地适用于实验操作，成为研究的新型体外细胞工具。

源自肠道的类器官不仅能够严格反映肠道细胞组织结构及肠道细胞种类，还能表现出肠道组织损伤后的再生能力，使得肠道类器官被广泛研究与使用^[1]。

 

2019年，瑞士巴塞尔弗雷德里希米歇尔（FriedrichMiescher）生物医学研究所（FMI）的PriscaLiberali教授团队于《Nature》上发表了《Self-organizationand symmetry breaking in intestinal organoiddevelopment》。该文章通过单细胞基因组学与成像联用的方式，在LGR5+和LGR5-两种类器官中研究了肠道干细胞的形成过程以及对称性破缺中涉及的分子机制^[2]，证实类器官作为能够体外培养具有3D结构并且能够高度概括干细胞的分化潜能等特征，是研究单细胞对称性破缺进行过程的极佳模型。

2020年10月，瑞士巴塞尔大学联合诺华生物医学研究所，在Nature杂志发表再次发表最新研究成果《Phenotypiclandscape of intestinal organoidregeneration》，该研究利用肠道类器官进行高通量药物筛选鉴定肠道类器官表型图谱，并探索RXR受体抑制药物对肠道类器官增殖和分化的调控作用，首次展示了调控类器官发育和自我组织的功能性基因相互作用图谱^[3]。

文章中，研究者首先通过利用单细胞历时4天分化为肠道类器官的模型，筛选了2789种化合物，观察这些化合物对肠道类器官生长和分化的影响。其中Enterocyst是肠上皮细胞，从消化道吸收水分和营养物质，Panethcell为潘氏细胞，功能类似中性粒细胞（图1）。

图1

结果显示，用活性对照（即γ-分泌酶抑制剂DAPT和糖原合酶激酶-3β（GSK-3β）抑制剂CHIR99021）处理过的类器官可再生，能在特定条件下产生效应。研究人员通过标记肠上皮细胞、Paneth细胞、DNA和蛋白后，对其进行高通量成像，使用PhenoGraph为化合物处理的肠道类器官生成了15个元素的指纹聚簇（图2）。随后通过降低表型的分辨率，将其归纳成7大表型。其中最常见的表型为“野生型”表型（1-3类，“成熟类器官”）（图3）。

图2

图3

为了研究再生表型中的什么基因调控了类器官的再生和分化，研究人员用抑制和激动RXR的方式来观察其对类器官的影响。结果发现在早期的类器官中，对RXR的抑制可保持类器官再生状态，防止对称性破坏，使YAP1表达限制在核中，控制YAP1的核转运。同时经证明视黄酸代谢是肠上皮细胞分化所必需的，但对于Paneth细胞却不是（也不影响表达YAP1的再生细胞），并且肠上皮细胞通过ALDH1A1控制的atRA细胞内合成获得区域特异性（图4）。

图4

结论：在肠道类器官的发育分化过程中，施加RXR抑制，类器官将保持再生表型，不分化为肠上皮细胞和潘氏细胞，且其肠道特异性逐渐丧失。同时表明在类器官发育过程中使用多元表型筛选方法来识别可以在体内进行研究的生理相关靶标，可以用来揭示肠道再生的机制。