Hyaluronic acid

在探索生命奥秘的征途中，科学家们一直在寻找能够精准揭示人体奥秘的工具。如今，两项前沿技术——单细胞测序和类器官技术——正在携手为我们打开一扇通往微观世界的窗口。 单细胞测序，如同一把精密的钥匙，能够解锁细胞内部的基因密码，揭示细胞之间的细微差异和复杂互动。而类器官技术，则像是一个微型的“人体器官实验室”，能够在体外高度模拟人体器官的结构和功能。 当这两项技术相遇，它们不仅为我们提供了研究器官发育、疾病机制的全新视角，更为精准医疗和再生医学带来了前所未有的机遇。 今天，就让我们一起走进这篇吉林大学团队发表的综述，探索单细胞测序与类器官技术如何改变我们对生命科学的认知，以及它们将如何塑造未来的医学研究和临床实践。 文章介绍 题目：单细胞测序与类器官：在器官发育与疾病中的应用 英文题目：Single-cell sequencing and organoids: applications in organ development and disease 杂志：Molecular Biomedicine 影响因子：10.1 发表时间：2025年12月 PMID: 41359105 单细胞测序和类器官技术是生物医学研究中的两项重要技术，分别用于解析细胞异质性和模拟人体器官功能。两者的结合为研究器官发育、疾病机制和治疗创新提供了新视角。 传统二维细胞培养和动物模型存在局限性，而类器官技术克服了这些限制，更真实地模拟人体器官的生理和病理过程。单细胞测序技术的发展也从群体细胞分析转变为单细胞水平的高分辨率分析，为深入研究细胞异质性和疾病机制提供了可能。 本综述探讨了这两种技术结合的潜力，总结其在器官发育和疾病研究中的应用进展，强调其在加速药物筛选和精准医学发展中的重要作用，推动生物医学研究向机制驱动和个性化方向转变。 图1 示意类器官可源自ESC/iPSC/ASC，单细胞测序流程（解离-FACS-测序-聚类）及联合应用在发育、肿瘤、药物筛选、再生医学五大场景，展示技术整合路线图。 1. 类器官和单细胞测序概述 1.1 类器官培养系统的建立和表征 自2009年首次成功培养小肠类器官以来，类器官技术推动了生物医学研究的突破。类器官的三维结构能更真实地模拟细胞相互作用和组织形成，适用于高通量药物筛选。 近年来，基因编辑技术（如CRISPR）和工程培养系统的创新扩展了类器官的应用范围。类器官在精准医学、再生医学和毒理学评价等领域的应用前景广阔。 未来，单细胞测序、微流控芯片和类器官技术的融合有望在模拟复杂生理和病理过程及实现长期动态监测方面取得更大突破（图2）。 图2 时间轴回顾1907-2024年类器官技术里程碑，从海绵重聚集到羊水胎儿上皮类器官，突出百年来培养方式与来源的逐步升级。 1.2 单细胞测序的进化与整合 单细胞测序技术自2009年首次提出以来，从低通量、基于微孔板的方法发展到高通量、多组学集成和空间分辨的方法。该技术的核心优势在于揭示细胞群体中被传统批量测序掩盖的异质性。 单细胞RNA测序克服了传统RNA-seq的限制，实现了单细胞水平的基因表达分析。技术进步包括STRT-seq的细胞条形码技术、SMART-seq的全长转录组覆盖率提升以及CEL-seq的多重分析能力。 液滴测序（Drop-seq）实现了单细胞转录组学的自动化，标志着人工单细胞测序时代的结束。2017年，CITE-seq技术将单细胞测序与蛋白质表位鉴定相结合，能够在单细胞水平上同时检测转录组和表面蛋白表达，推动了单细胞研究领域的重大进步。 空间转录组学技术进一步整合了基因表达与空间位置信息，弥补了单细胞技术中空间背景的缺失。这些技术的发展使单细胞测序成为破解细胞异质性的核心工具。 1.3 类器官和单细胞测序之间的交叉 单细胞测序通过转录组分析评估类器官细胞类型与人体组织的匹配程度。它能识别脑类器官中的关键细胞亚型并重建分化轨迹。结合空间转录组学，该技术可推断类器官内细胞的空间组织。 此外，单细胞测序可识别培养体系中的异常细胞状态，筛选促进细胞分化的关键因素。在肝类器官中，特定因子的加入显著提高了代谢成熟度。利用患者iPSC规避物种差异，单细胞测序可识别罕见细胞群并检测意外分化细胞。 类器官的3D结构比传统模型更真实地再现器官微环境。其与单细胞测序的结合推动了发育和疾病机制研究，并在药物开发、精准医学和再生医学等领域具有广阔应用前景。 2. 利用类器官和单细胞测序揭开器官发育的神秘面纱 2.1 皮质 人脑是生物中已知最复杂的器官，传统研究依赖于啮齿动物模型和二维细胞系，但这些方法存在局限性。近年来，脑类器官技术克服了这些局限性，扩展到神经发育和神经退行性疾病的机制研究。 单细胞测序揭示了类器官在高分辨率下概括人类大脑发育过程中细胞类型多样性、谱系分化轨迹和基因表达特征的能力。例如，皮质类器官的单细胞测序显示其发育过程接近内源性胚胎发育。此外，研究者开发了具有功能性血管系统的脑类器官，通过共培养策略和器官融合技术生成了具有复杂血管网络的模型。 这些技术的结合推动了神经科学研究从静态描述走向动态机制分析，为揭示人类大脑发育和疾病的细胞和分子基础建立了新的平台（图3a）。 图3 a) 过表达ETV2的hESC脑类器官上调CLDN5/OCLN，紧密连接增强，BBB功能提升。b) 肺泡类器官中Wnt-NKX2-1直接激活SFTPC/LAMP3/SLC34A2，驱动AT2分化成熟。c) 心脏类器官补充BMP4/bFGF/VEGF，经VEGFR-Raf-MEK-ERK促血管生成并形成三层结构。d) 肝类器官外源HGF-c-Met-PI3K-AKT信号上调Cyclin D1，推动G1→S增殖。e) 肠类器官BMP2-pSMAD1/5/8诱导SATB2/HOX，生成远端结肠内分泌细胞。f) 肾类器官WT1激活MAGI2/MYH9/NPHS1，突变则足细胞成熟受阻，CRISPR修复可挽救。 2.2 肺 肺类器官技术极大地促进了对肺组织微环境及其在肺损伤修复中作用的理解。近年来，研究取得了重大进展，尤其是肺泡细胞的长期培养。 肺泡上皮由AT1和AT2细胞组成，分别负责气体交换和表面活性剂分泌。新培养系统实现了人类AT2细胞的长期扩增和向AT1细胞分化，为研究肺泡相关疾病提供了可靠的体外模型。 气液界面（ALI）培养方法增强了肺类器官的生理相关性，促进了关键生理过程。肺类器官已成功用于研究病原体-宿主相互作用、上皮细胞对空气污染物的反应和呼吸屏障功能。单细胞测序揭示了肺类器官的细胞组成和基因表达谱，验证了模型与实际组织的相似性。 技术方法的创新促进了肺类器官的发展，从基础发育生物学研究扩展到应用领域，包括疾病建模和药物筛选。 这些进展为深化对肺再生机制的理解、制定针对性治疗策略和推进个性化医疗提供了强有力的平台（图3b）。 2.3 心脏 心脏类器官作为研究心脏发育和疾病的重要体外模型，主要由hiPSC构建，为心脏发育提供了新见解。这些类器官通过模拟胚胎组织的三维自组织结构，实现了细胞在体内的分布、对外部刺激的反应和电生理功能。 为提高疾病建模的准确性，研究者使用源自hiPSC的CM、CF和EC构建类器官，复制患者特异性的遗传变异。 单细胞测序技术用于检测造血心脏形成类器官的基因表达谱，识别心肌细胞、各种EC类型和造血细胞前体。这些技术的结合加深了对心脏发育的认识，为研究发育障碍提供了新工具和视角。 随着技术进步，心脏类器官将在心血管疾病机制研究、药物筛选和个性化医疗中发挥重要作用（图3c）。 2.4 肝 肝脏是重要的代谢和排毒器官，包含肝细胞和胆管细胞。多细胞肝组织培养比单细胞更适合药物筛选和疾病建模，但存在非增殖和可扩展性限制。 2013年，研究者通过添加HGF、EGF和FGF等成分，成功建立了小鼠源性肝类器官系统。人肝类器官、hiPSC衍生的肝细胞样细胞（HLC）和重编程肝细胞可复制成熟肝细胞的形态和功能。 2019年，研究开发了无血清和无饲料培养基，生产可扩展的hESC衍生肝类器官。 2022年，研究优化了hiPSC衍生肝类器官的培养基，确定了四种关键生长因子（激活素A、BMP4、OSM和HGF），成功再现了肝小叶的分带现象。 单细胞测序揭示了Wnt/β-catenin信号梯度在分区建立中的关键作用。肝类器官在高通量功能基因组学研究中显示出巨大潜力，用于识别肝脏发育和疾病的关键基因网络。 HGF通过其受体c-Met激活PI3K/AKT信号通路，促进肝类器官细胞增殖。共培养技术和生长因子补充提高了肝类器官的长期扩张能力。 胎儿和成人肝脏的单细胞测序揭示了其复杂性和细胞异质性，为研究肝脏发育和疾病机制提供了关键证据（图3d）。 2.5 肠 肠道发育是一个复杂的生物过程，肠道类器官在这一领域起着重要作用。 2009年，研究者成功将小鼠LGR5+肠道干细胞培养成小鼠小肠类器官，重现了隐窝和绒毛样上皮区域的三维结构。随后，优化培养条件实现了小鼠小肠上皮的长期体外培养。 另一项研究利用hPSC体外模拟胚胎肠发育，促进肠管样形态发生。肠道类器官的培养依赖于重建肠干细胞增殖、分化和迁移所需的微环境。 单细胞转录组图谱揭示了间充质干细胞（MSC）对肠道发育的影响，以及BMP信号通路在结肠类器官中的关键作用。 BMP2通过调节SATB2和HOX基因的表达影响肠道器官形态发生。经BMP2处理的类器官在体外长期培养后表现出与远端肠一致的标志物表达模式，并在体内移植时保留区域特征。 肠道类器官与单细胞测序技术的结合为研究罕见细胞类型（如肠内分泌细胞EEC）提供了突破性工具。 CRISPR/Cas9等基因组编辑技术的发展使肠道类器官从发育模型转变为功能研究平台，成功模拟了遗传性肠道疾病。这些技术的结合加深了对肠道发育和维持体内平衡机制的理解，推动了精准医学和新药开发（图3e）。 2.6 肾 哺乳动物肾脏由肾单位和收集管组成，其发育过程中肾元和输尿管芽（UB）祖细胞相互诱导形成复杂网络。 肾类器官技术从肾元类器官发展到模拟UB或收集管的更复杂类器官，减少了异质性并增加了结构复杂性。关键因素是UB和后肾间质（MM）之间的相互作用，促进肾脏形态发生。 尽管早期肾类器官存在局限性，如缺乏血管系统和无效连接，但微流控芯片和肾细胞外基质水凝胶的使用显著提高了肾类器官的成熟度和血管化。 单细胞测序技术揭示了关键转录因子网络，如WT1在足细胞发育中的作用。CRISPR/Cas9纠正WT1突变可挽救足细胞表型，强调其在异常足细胞发育中的致病作用。肾脏类器官和单细胞技术的结合推动了肾脏发育生物学从描述性研究向机制理解的转变，为肾脏疾病的精准医学提供了突破。 未来，随着空间转录组学、基因编辑和实时成像等技术的融合，类器官将从静态模拟向动态分析过渡，推动生命科学研究的范式转变（图3f）。 3. 单细胞测序揭示了癌症类器官的异质性 3.1 肺癌 肺癌（LC）具有显著的复杂性和异质性，包括非小细胞肺癌（NSCLC）和小细胞肺癌，其突变谱不同。肿瘤异质性对LC治疗构成挑战，因为肿瘤间存在大量遗传、表观遗传和表型差异，使精确有效的治疗方法的开发复杂化。 LC类器官保留了亲代肿瘤的遗传、转录、形态和药物敏感性特征。其肿瘤微环境包括免疫细胞、血管内皮细胞和基质细胞，单细胞测序可阐明这些细胞在肿瘤发展中的作用。 例如，M2型肿瘤相关巨噬细胞（TAM）通过分泌IL-10促进肿瘤细胞增殖和转移。Wnt/β-catenin通路在LC进展中起关键作用，Wnt3A是其关键激活剂。Wnt3A信号阻止β-catenin降解，使其在细胞质中积累并易位到细胞核，激活c-Myc、CCND1等基因，增强肿瘤细胞的增殖、侵袭和转移潜力。 LC类器官生物库有助于筛选抗癌药物，揭示耐药差异，评估药物毒性，促进癌症治疗的个性化。 3.2 乳腺癌 乳腺癌（BC）是一种高度异质性的疾病，具有多种分子亚型。BC类器官能够保持肿瘤组织的异质性，保留遗传特征，对于研究发病机制和开发个性化治疗至关重要。 单细胞测序显示，BC类器官在不同亚型中保留了原代BC的特征，但TNBC类器官与原代肿瘤存在差异。 HER2过表达在约15%-20%的BC病例中起关键作用，激活下游通路促进肿瘤细胞增殖和侵袭。尽管HER2靶向药物效果显著，但耐药性仍是挑战。PI3K/AKT/mTOR通路在BC中频繁高激活，调节该通路显著影响BC类器官的生长和存活。 BC患者源性类器官（PDO）被认为是克服传统模型局限性的有前途的模型，能够预测患者药物反应并为个性化治疗提供信息。 3.3 肝癌 肝癌是全球高发病率和死亡率的恶性肿瘤，其中肝细胞癌（HCC）最为常见。肝癌类器官生物库显示肿瘤组织和类器官间存在突变一致性，但传代过程中表现出肿瘤进化和细胞异质性。 多种信号通路和蛋白在HCC的发生和发展中起关键作用。例如，c-Jun过表达通过JNK和β-catenin信号通路介导lenvatinib耐药，而HDAC抑制剂SAHA可逆转这种耐药。 在HCC的微小残留病（MRD）中，PD-L1阳性的M2巨噬细胞通过TGF-β信号通路与肿瘤干细胞相互作用，维持肿瘤细胞的持久性。联合阻断PD-L1和TGF-β信号通路可有效预防HCC复发。这些通路和蛋白的异常激活或失调共同导致HCC的发生、进展、耐药和复发。 利用HCC类器官模型，研究表明肿瘤内不同细胞亚群之间的合作导致耐药性，为治疗HCC提供了新见解和策略。将患者来源的肿瘤类器官与单细胞测序和药物筛选试验相结合，揭示了HCC的耐药机制。 类器官的药物基因组学分析能够识别预测药物反应的生物标志物，促进新型联合疗法的发展。例如，lenvatinib与HDAC或AKT抑制剂联用可协同抑制肿瘤细胞增殖，提高治疗效果。这种方法通过针对患者肿瘤的独特特征量身定制治疗策略，支持HCC的个性化治疗。 3.4 胃癌 胃癌是全球高发病率和致死率的恶性肿瘤之一。GC类器官能有效模拟肿瘤微环境，促进肿瘤生物学研究，克服了传统细胞系的局限性。单细胞测序加快了对肿瘤驱动突变和分子亚型的识别。 例如，AURKi可诱导弥漫性GC衰老，衰老细胞分泌CCL2/MCP-1，触发单核细胞/巨噬细胞向M2表型极化，形成免疫抑制微环境。GC涉及多个关键信号通路，如MEK/ERK和STAT3通路，双重抑制这些途径可以抑制癌前病变。 CLDN18-ARHGAP26融合基因在弥漫性GC中频繁复发，激活RHOA及其下游信号通路。共同抑制FAK和YAP/TEAD通路可显著抑制肿瘤生长。NAT10在胃癌中过表达，与不良预后相关。 GC类器官生物库的建立使体外个性化药物测试成为可能，有助于识别与药物敏感性或耐药性相关的基因表达特征。例如，对5-FU或奥沙利铂敏感的类器官表现出肿瘤抑制基因或途径的上调，而耐药类器官表现出增殖和侵袭性增加。药物诱导的衰老细胞可以影响巨噬细胞的功能，提示新的治疗策略。 GC类器官模型反映了患者特异性肿瘤特征，有助于量身定制化疗药物的选择，推进GC的个性化治疗。 3.5 结直肠癌 传统模型在模拟结直肠癌（CRC）复杂性方面存在局限性，而类器官模型为CRC研究带来了突破。单细胞测序揭示了CRC类器官的异质性和不同类器官间的差异。 例如，CRLM类器官与原发性CRC类器官在分化和肿瘤干细胞自我更新潜能上存在显著差异。研究还发现，NLRP12通过抑制Wnt/β-catenin通路在CRC中起关键作用。 类器官和单细胞技术的结合为CRC研究提供了高分辨率视角，推动了精准医学的发展。 4. 单细胞测序在类器官疾病模型中的应用 4.1 神经退行性疾病 4.1.1 阿尔茨海默病 阿尔茨海默病（AD）的主要特征是认知能力下降和行为改变，具有遗传易感性。类器官技术与单细胞测序相结合为探索AD发病机制提供了新机会。 AD类器官在维持细胞异质性和组织特异性方面表现突出，表现出AD相关的病理特征，如Aβ斑块和神经原纤维缠结（NFT），为药物筛选和疗效评估提供了更反映人体生理的平台。 单细胞测序揭示了AD发病机制的关键基因和治疗靶点，克服了传统批量测序的局限性。Aβ产生和清除的不平衡是AD发病的核心，而类器官模型在血清暴露下显示出BACE表达升高，导致Aβ病理。 GSK3α/β在tau蛋白的过度磷酸化中起关键作用，其抑制剂CHIR99021显著降低了p-tau水平。APOE多态性与AD风险密切相关，APOE4变体加剧AD类器官的细胞凋亡和神经变性，而APOE3 Christchurch变体可能具有保护作用。 类器官模型和单细胞测序的结合为AD研究提供了显著突破，但该领域仍面临挑战，如脑类器官的有限成熟度和内源性小胶质细胞的缺失或功能不足。解决这些挑战将增强类器官模型在破解AD复杂机制和推进治疗发展方面的预测能力（图4a）。 图4 a) AD脑类器官血清暴露↑BACE→Aβ沉积；GSK3α/β抑制剂CHIR99021显著降低p-tau。b) PARK2/PINK1突变DN线粒体复合物活性↓、ROS↑，PINK1-parkin清除受损致神经元死亡。c) ASD脑类器官FABP7↓→MEK1/2磷酸化异常，NSC提前分化；药物调控可逆转。d) ALS脑类器官氧化应激致TDP-43胞质聚集与剪接缺陷；C9orf72 HRE产生毒性DPR，KCNJ2成新靶点。 4.1.2 帕金森病 帕金森病（PD）是第二常见的神经退行性疾病，其特征是黑质多巴胺能神经元（DN）的退化和α-突触核蛋白（SNCA）的异常积累。 基于iPSC的类器官模型，如中脑类器官（MBO）和DN模型，为PD研究提供了全面系统，能够概括PD的病理特征并作为药物筛选平台。 单细胞测序揭示了类器官内细胞亚群的异质性，发现了PD中多巴胺能神经元亚型的特异性丧失和胶质细胞的激活状态。 SNCA的异常聚集和线粒体功能障碍是PD发病的核心机制。胶质细胞在PD发病中起重要作用，通过分泌因子影响神经元微环境，促进SNCA聚集和神经元损伤。 类器官模型和单细胞技术的结合正在逐步构建更精确的PD分子网络，为机制阐明和治疗策略开发提供了新的希望（图4b）。 4.1.3 自闭症谱系障碍 自闭症谱系障碍（ASD）是一种复杂的神经发育障碍，具有复杂的遗传背景，涉及数百个基因。脑类器官技术为研究ASD提供了新途径，多种与自闭症相关的类器官可由iPSC生成。 例如，已开发出针对高风险ASD基因（如SUV420H1、ARID1B和CHD8）的单基因突变脑类器官。这些类器官结合单细胞测序技术，能够模拟大脑发育过程中的细胞分化和增殖事件，为破译ASD相关的细胞动力学提供了强大工具。 单细胞测序揭示了ASD脑类器官中多种细胞类型（如神经干细胞、神经元和胶质细胞）的特征性变化。例如，ARID1B基因突变衍生的类器官中，腹侧放射状胶质细胞扩张，向少突胶质前体细胞过渡的比例增加。 此外，CRISPR-类器官-单细胞测序系统用于筛选ASD高危基因对细胞命运的影响，揭示了风险基因在特定细胞类型中的时空表达效应。这些研究提高了对ASD发病机制的理解，提供了传统动物模型难以获得的细胞水平数据。 例如，FABP7/MEK通路被发现是ASD患者前脑类器官神经干细胞异常分化的关键，其调节可逆转ASD类器官中不适当的神经分化。类似地，TCF4突变破坏神经元成熟，而基因治疗可挽救疾病表型。 这些研究结果表明，类器官模型能够高度模拟人类大脑发育的复杂性和疾病特异性表型，为疾病易感基因的高通量表型表征和潜在治疗策略的体外筛选提供了强大平台（图4c）。 4.1.4 肌萎缩性侧索硬化症 肌萎缩性侧索硬化症（ALS）是一种神经退行性疾病，类器官技术为其研究提供了新模型。利用ALS患者的iPSC构建的类器官可模拟相关病变，如骨骼肌收缩缺陷、神经肌肉连接处变性等。 研究发现C9orf72相关类器官TDP-43功能障碍更明显，且确定了KCNJ2为潜在治疗靶点。 单细胞测序结合类器官模型揭示了ALS中细胞类型特异性的病理机制，如TDP-43相关通路异常、氧化应激影响等。 此外，还涉及多种蛋白质异常表达导致细胞功能障碍和死亡，药物筛选也取得进展。尽管该系统存在模型成熟度和细胞捕获代表性不足的挑战，但为深入理解ALS发病机制、开发创新疗法提供了理论基础和新希望（图4d）。 4.2 遗传性疾病 4.2.1 神经纤维瘤病 神经纤维瘤病是一组常染色体显性遗传疾病，分为NF1、NF2和NF3三类，NF1最常见。NF1患者皮肤神经纤维瘤的类器官可在体外重现肿瘤细胞结构和分子特征。 单细胞测序结合类器官模型，可精确识别细胞类型和亚群，揭示细胞功能变化及细胞类型特异性信号活动。 NF1突变导致RAS通路过度激活，促进肿瘤发生；NF2突变破坏RAS等信号通路，引发肿瘤。mTOR信号通路也受NF1和NF2基因突变影响，推动肿瘤发展。 单细胞测序为药物筛选提供新途径，助力个性化治疗策略发展，结合CRISPR筛选可识别新靶点，扩大治疗选择（图5a）。 图5 a) NF1突变→RAS持续激活促增殖；NF2突变经MERLIN间接上调RAS；PTPRS低表达增强EGFR-EMT迁移。b) AR-RTD肾类器官AGTR1突变→VEGFA↓血管延迟；PLC/IP3/Ca²⁺信号受损，管状发育不全。c) PKD类器官PKD1/2缺失→钙内流↓cAMP↑，囊肿上皮增殖+液体分泌；ERSG读通药物可恢复PC1/2表达并抑制囊肿。d) CF直肠/气道类器官CFTR-F508del导致氯通道失活，RFFL泛素化持续降解突变蛋白，药物联用靶RFFL可增效。 4.2.2 常染色体隐性肾小管发育不良 常染色体隐性肾小管发育不良（AR-RTD）是一种由肾素-血管紧张素-醛固酮系统（RAAS）相关基因突变引起的遗传性肾脏疾病，导致近端肾小管发育不良和肾功能受损。 传统动物模型难以模拟人类RAAS信号通路的动态调节，而肾类器官结合单细胞测序为研究AR-RTD提供了新平台。 RAAS基因突变破坏细胞内信号通路，如PLC/IP3/DAG通路，导致钙信号异常，影响肾小管细胞增殖和分化。此外，AGTR1突变降低VEGFA表达，导致血管生成不足，进而影响肾小管发育。 单细胞测序发现VEGF信号减弱和血管发育延迟，提示促血管生成药物或基因治疗的潜在应用价值。 尽管肾类器官在模拟成熟肾单位结构和血管网络方面存在局限性，但结合血管化策略或器官芯片技术及空间转录组学分析，有望更真实地模拟肾小管微血管单元的发育过程，增强研究的生理学相关性（图5b）。 4.2.3 多囊肾 多囊肾病（PKD）是一种遗传性肾脏疾病，主要分为常染色体显性PKD（ADPKD）和常染色体隐性PKD（ARPKD），以双肾囊肿逐渐增大为特征，最终多发展为终末期肾病。 类器官技术为PKD研究提供了重要模型，通过基因编辑可模拟囊肿形成及相关疾病特征。 单细胞测序揭示了PKD类器官中细胞类型间基因表达和染色质可及性的变化，发现代谢异常、糖酵解和自噬途径失调及细胞相互作用改变。 PKD发病机制与PKD1和PKD2突变密切相关，细胞内钙信号失调影响cAMP代谢，促进囊肿形成。在ARPKD类器官中，激活自噬可抑制囊肿形成。此外，通过诱导PC1和PC2无义突变的读透可恢复蛋白表达，减少囊肿形成。 单细胞数据分析发现的药物可通过纠正无义突变恢复部分PC1/PC2表达，显著抑制囊肿形成。将CRISPR基因校正与单细胞评估相结合，可优化基因治疗策略。 尽管肾类器官在模拟晚期纤维化微环境或囊肿壁-间质相互作用方面存在局限性，但通过空间转录组学与活细胞动态成像相结合，可增强对疾病发生和进展机制的理解，引入工程培养系统和流体剪切应力刺激装置有望更好地模拟体内机械微环境对囊肿发育的影响（图5c）。 4.2.4 囊性纤维化 囊性纤维化（CF）是一种常染色体隐性遗传病，由CFTR基因突变引起，导致CFTR蛋白功能失调，氯离子通道受损，进而破坏体液和电解质平衡，引起粘液积聚，导致肺、胰腺和肠道等器官衰竭。 患者源性类器官结合单细胞测序技术，为研究CFTR功能障碍的细胞特异性效应和跨器官病理机制提供了高度生理相关的平台。 单细胞测序克服了传统方法的局限性，实现了对病理过程中细胞亚群动态变化的高分辨率分析。 例如，在CF气道类器官中，单细胞测序精确鉴定了F508del突变驱动的杯状细胞亚群的异常激活，这些细胞过度表达MUC5AC和IL-8。 此外，该方法揭示了RFFL在特定上皮细胞亚群中的失调作用，RFFL在CFTR调节剂存在时仍介导突变体CFTR蛋白降解，这为开发针对RFFL的联合疗法提供了依据。CF的核心病理是CFTR突变，导致粘液分泌异常，引发肺部感染、炎症和胰腺、肠道功能障碍。 RFFL通过移除F508del CFTR影响其功能，降低药物疗效。单细胞测序在药物筛选中可分析药物治疗后不同细胞类型的基因表达变化，确定药物靶点，优化治疗策略。 在基因治疗评估中，单细胞测序可评估基因编辑对细胞功能和基因表达的影响。尽管单细胞测序在CF类器官中的应用有限，但技术进步有望支持CF的精准医学，促进开发更有效的治疗方法（图5d）。 4.3 传染性疾病 4.3.1 SARS-CoV-2 COVID-19由SARS-CoV-2引起，对人类健康和社会造成深远影响。类器官技术克服了传统模型的局限性，为研究病毒-宿主相互作用提供了新见解。 鼻上皮类器官模拟上呼吸道生理结构，单细胞测序显示ACE2和TMPRSS2定位于纤毛细胞，揭示病毒突破气道屏障的途径。 肺泡类器官可模拟宿主免疫反应，单细胞测序揭示感染动力学和细胞异质性。病毒通过刺突蛋白与ACE2结合进入细胞，CIART和NR4A1等基因在感染中起关键作用，靶向RXR通路可抑制感染。 单细胞测序结合类器官模型助力药物筛选和基因治疗，如发现伊马替尼的抗病毒机制，推动精准医学发展（图6a）。 图6 a) SARS-CoV-2通过ACE2/TMPRSS2感染；转录因子CIART-NR4A1-RXR轴调控脂肪酸代谢，抑制RXR减少感染。b) H. pylori CagA激活NF-κB→IL8/ANGPTL4↑；ANGPTL4-ITGAV促进Treg与巨噬细胞交互；AURKA-EIF4E-SOX9驱动胃干细胞恶性转化。c) ZIKV NS2B招募PP1α去磷酸化eIF2α抑制应激颗粒；NS3-CaMKII-TRPC4增强Ca²⁺内流促病毒复制，成为治疗靶点。 4.3.2 幽门螺杆菌感染 幽门螺杆菌感染是一种全球性胃细菌性疾病，与慢性胃炎、胃溃疡和胃癌密切相关。传统研究依赖小鼠和沙鼠模型，但这些模型在转化研究中存在局限性。 类器官技术为研究提供了新视角，胃类器官可模拟胃黏膜生理结构和功能，揭示幽门螺杆菌对胃干细胞增殖和分化的影响。 单细胞测序结合类器官模型，从细胞异质性角度深入分析感染过程，发现NF-κB通路激活和炎症反应。 此外，AURKA/SOX9信号轴在幽门螺杆菌诱导的胃肿瘤发生中起关键作用。单细胞数据助力药物筛选，为开发有效治疗策略提供依据（图6b）。 4.3.3 寨卡病毒感染 寨卡病毒通过伊蚊传播，与先天性寨卡综合征（如小头畸形）和格林-巴利综合征相关。脑类器官研究表明，寨卡病毒感染会扰乱类器官培养，减少神经祖细胞数量，导致生长缺陷，与新生儿神经异常相关。 滋养细胞类器官研究发现，未分化的滋养细胞干细胞是胎盘内寨卡病毒的主要靶点，病毒破坏其结构，抑制合胞，影响胎盘发育。 单细胞测序分析了胎盘滋养细胞类器官在感染前后的转录组变化，识别了不同亚群及其发育轨迹，发现抗病毒干扰素和干扰素刺激基因在感染后被激活。 此外，单细胞测序还揭示了胎儿免疫细胞的亚群功能，如卵黄囊来源的巨噬细胞促进胎儿脑感染，而大脑中小胶质细胞具有保护作用。 寨卡病毒感染的发病机制涉及多个关键信号通路和蛋白质相互作用，如NS2B/PP1α/eIF2α轴促进病毒复制，NS3与CaMKII相互作用增强钙内流，NS2A介导内质网自噬受体降解加重小头症。这些研究为理解寨卡病毒的致病机制提供了重要见解（图6c）。 4.4 代谢性疾病 4.4.1 糖尿病 糖尿病是一种慢性代谢性疾病，分为1型和2型。类器官和单细胞测序技术为糖尿病研究提供了有力工具。胰岛类器官可模拟胰岛细胞生理活动，揭示发病机制。 类血管器官显示糖尿病供体的功能障碍和细胞异质性改变，单细胞测序明确了血管细胞的分子差异。 肠道类器官研究发现高血糖损害肠屏障，小分子透明质酸（HA35）具有保护作用。这些类器官模拟糖尿病的关键病理通路，为研究多系统影响提供模型。 糖尿病发病机制涉及多个信号通路，如胰腺β细胞功能相关的BMP、NOTCH、WNT和转录因子，以及糖尿病血管并发症中的NOTCH3和DLL4。肠屏障功能中，紧密连接蛋白ZO-1、OCLN和CLDN1维持屏障完整性，HA35通过LAYN调节这些蛋白。病毒诱导的糖尿病中，促炎巨噬细胞分泌IL-1β，触发β细胞焦亡。 单细胞测序在药物筛选中可识别关键基因，为靶向药物开发提供靶点，基因编辑可评估关键基因对细胞功能恢复的影响（图7a）。 图7 a) 糖尿病胰岛类器官BMP/NOTCH/WNT及NKX2/NEUROD1/ISL1调控胰岛素分泌；高血糖激活DLL4-NOTCH3致血管基底膜增厚。b) 肥胖脂肪类器官LATS1/2缺失→YAP/TAZ激活抑制PPARG致脂肪细胞萎缩；ANXA1缺乏加速SMAD4降解抑制成脂。c) NAFLD肝类器官FADS2↑促脂质沉积；TNF-α促炎，TGF-β诱导肝星状细胞转分化为肌成纤维细胞并分泌胶原形成纤维化。 4.4.2 肥胖 肥胖是一种慢性代谢紊乱，与心血管疾病、糖尿病和癌症等严重并发症密切相关。类器官技术为肥胖研究提供了重要模型。 脂肪组织的基质血管组分（SVF）可形成脂肪类器官，复制脂肪组织结构和功能，促进脂肪形成和器官间相互作用研究。脑类器官用于研究肥胖与抑郁的联系，揭示发病机制。 单细胞测序可追踪特定神经细胞分化轨迹，发现传统方法难以识别的细胞变化。 YAP/TAZ信号通路在肥胖发病机制中至关重要，其激活影响脂肪细胞功能和全身能量平衡。WFS1/ATF4/ZNT3信号轴与肥胖和抑郁相关，药物利鲁唑可靶向该轴维持锌平衡。ANXA1通过影响PPARG转录抑制脂肪生成，其缺乏会加剧肥胖。 组蛋白乙酰转移酶p300与内质网应激和胰岛素信号抑制相关，PTER调节食物摄入和肥胖抵抗。 单细胞测序在肥胖类器官模型的药物筛选和基因治疗中具有重要潜力，可识别脂肪形成和能量平衡调节的药物靶点，评估基因编辑对细胞功能和基因表达的影响。 结合单细胞测序数据建立患者特异性类器官生物库，有助于肥胖分子分类系统发展，推进精准医疗（图7b）。 4.4.3 脂肪肝 非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）是一种代谢应激性肝损伤，与胰岛素抵抗和遗传易感性密切相关。 类器官技术为NAFLD研究提供了创新模型，人类胎儿肝细胞可用于构建类器官，通过添加游离脂肪酸（FFA）模拟脂肪变性，CRISPR/Cas9系统可引入特定基因突变或敲除相关基因，创建不同遗传背景的模型。 单细胞测序显示不同诱导条件下类器官的细胞反应差异，揭示脂质代谢失调、炎症和纤维化过程。 脂质代谢失调是NAFLD发病的关键因素，FADS2、PNPLA3等基因在其中起重要作用。单细胞测序结合类器官模型可识别药物靶点，评估基因编辑对细胞功能和疾病表型的影响，为基因治疗提供数据支持。 尽管肝类器官在模拟完整肝脏微环境方面存在局限性，但单细胞测序和类器官技术的结合为NAFLD研究提供了强大支持，推动精准医学发展（图7c）。 5. 促进类器官组织修复的单细胞测序 器官移植是治疗器官损伤或衰竭的有效方法，但面临伦理问题、移植排斥反应、器官供应短缺等挑战。 类器官技术为器官移植提供了新的解决方案，尤其是脑类器官，因其共享宿主遗传背景，降低了排斥风险，成为修复受损脑组织的理想来源。多种类器官（如肾脏、肝脏、视网膜等）已成功移植到动物模型中，促进类器官生长和体内维持。 视网膜类器官移植在恢复视力方面显示出潜力，而hiPSC衍生的类器官在修复肝纤维化和胆道疾病方面也取得进展。此外，利用iPSC转化为内胚层干细胞（EnSC）设计的胰岛组织（E-islet）在自体再生胰岛移植治疗中显示出良好效果，改善了糖尿病患者的胰岛功能。 类器官技术还通过产生胎儿样细胞和组织，为解决供体器官短缺问题提供了新途径。尽管目前类器官移植研究主要局限于动物模型，但其在替代疗法领域的巨大潜力已得到证实，未来的研究和临床试验有望进一步推进其应用。 研究结论 单细胞测序与类器官技术的结合，正在重塑生物医学研究的未来。当前，这一技术已在器官发育、疾病机制解析及药物筛选等领域取得显著进展，为精准医疗和再生医学提供了有力支持。 然而，技术发展仍面临诸多挑战，如类器官成熟度不足、功能模拟不够完善，以及单细胞测序数据解读的复杂性等。 随着新型生物材料、多组学技术及计算方法的不断创新，这些技术有望实现从静态分析到动态监测的跨越，更精准地模拟器官的复杂功能和微环境。在临床应用方面，单细胞测序与类器官技术的整合将进一步提升疾病早期诊断、个性化治疗方案制定及药物研发的效率和精准度。 总之，单细胞测序与类器官技术的结合，为生命科学的深入探索和精准医疗的发展提供了新的思路与方法。随着技术的持续进步，其在生物医学领域的应用前景将更加广阔，为人类健康带来新的希望。 参考文献 Li T, Yin J, Hao Y, Gao W, Li Q, Feng Q, Tao B, Hao M, Liu Y, Lin C, Wang D. Single-cell sequencing and organoids: applications in organ development and disease. Mol Biomed. 2025 Dec 8;6(1):134. doi: 10.1186/s43556-025-00364-6.  “ ” 添加客服小助理，获取原文PDF 往期推荐

早发性卵巢功能不全（premature ovarian insufficiency，POI），一种以女性40岁前卵巢功能衰竭为特征的生殖内分泌疾病，可由遗传、免疫、医源性等多重因素导致，严重影响患者的生育力与长期健康。随着分子诊断技术的发展，越来越多致病基因被发现，而精准的病因分层是个体化治疗与管理的重要前提。 岁末回望，新篇将启。值此年终总结之际，我们特别邀请到山东大学附属生殖医院/妇儿与生殖健康研究院、山东第一医科大学附属省立医院的秦莹莹教授，就2025年度POI领域的科研进展、临床诊疗共识更新以及团队的关键成果进行系统梳理与深度解读，并对未来研究方向与临床转化前景作出展望。 秦莹莹教授访谈视频 回顾2025年，在POI的致病遗传机制研究方面有哪些重大进展？您认为哪些发现最具有转化临床实践的潜力？ 秦莹莹 教授 回顾2025年，POI遗传学研究的核心进展在于从单纯的某一类新致病基因的挖掘，转向了结合高通量测序及多组学技术对卵巢衰老整体调控网络的解析，同时也有团队对既往已发现的遗传数据进行了标准化重释。 在致病机制方面，最显著的突破是将视角从卵母细胞扩展至颗粒细胞的代谢与蛋白稳态调控。我们团队及中南大学团队先后研究发现新的POI致病基因——NCOA7、LRRC4和CKAP5，证实颗粒细胞应激障碍、线粒体-YAP信号轴失衡等是卵泡过度闭锁的驱动因素。这些研究提示诱发卵巢衰老的压力不仅来自于卵母细胞自身的基因组稳定性下降，更受到体细胞的代谢与蛋白稳态调控。上述发现为相关研究开辟了全新视野，极大地拓展了科研思维。 此外，巴黎西岱大学研究团队针对经典基因NOBOX的遗传模型进行修正，纠正了既往因参考序列错误导致的变异误判，这一工作不仅更新了对该基因致病机制的认识，也反映出随着新一代测序技术和生物信息分析手段的进步，我们能够借助多组学证据，对已有的遗传变异数据进行“去伪存真”的清洗。这将有助于更新临床遗传检测标准，更准确地界定未来可能发现的遗传变异的致病性，从而进一步深化对疾病遗传特征的理解。 关于临床转化潜力，主要体现在遗传诊断、共病风险管理与靶向治疗三个层面。遗传诊断方面，NOBOX基因的遗传模型的重构思路可提升遗传诊断的准确性。此外，在共病风险管理方面，如BRCA2相关研究确立了POI与体细胞肿瘤易感性的内在联系，提示临床应将肿瘤监测纳入特定突变携带者的长期随访计划，实际上目前我们也正在临床上进行实践，这不仅关乎生殖健康的维护，更对女性全生命周期的健康管理具有重要意义。最后，在靶向治疗方面，基于颗粒细胞代谢蛋白与组蛋白稳态失衡（如NCOA7、LRRC4）影响卵巢衰老的分子机制，利用LNP-mRNA技术或小分子药物调控颗粒细胞的自噬与代谢，为研发非激素类卵巢抗衰药物提供了可行的干预路径。总体而言，无论是遗传致病机制的深化认识、共病风险的系统管理，还是靶向治疗新技术的开拓，这些进展共同推动了POI诊疗向以分子分型为基础的精准医学迈进。 2025年，POI管理领域迎来了重要的国际（ESHRE）和国内（医源性POI）指南更新。请您谈谈这些重磅指南的更新，将如何实质性地改变中国临床医生的诊疗思维和路径？ 秦莹莹 教授 2024年底，我们迎来了POI的国际（ESHRE）指南更新，其中最主要的2点变化是： （1）将POI的诊断标准由以往的2次FSH>25 IU/L更新为1次FSH>25 IU/L，这体现了“关口前移”的诊断思路变革，使医生能更早识别卵巢功能衰退迹象，进而能尽早进行干预； （2）着重强调了对POI进行病因分类诊疗的依据和必要性，包括医源性POI、遗传性POI、免疫性POI、特发性POI，便于对患者进行个体化诊疗和长期健康管理。 在过去二十多年中，我们对医源性、遗传性及免疫性POI病因的研究已积累了相当多的成果，2026年将是对我国POI患者的病因分类及相应的个体化诊疗策略进行系统梳理和总结的关键时间节点，以此为基础，我们有望为这一女性群体提供更精准、更高效的健康支持与管理方案。 针对医源性POI，我国专家团队在2025年1月发布了《医源性早发性卵巢功能不全临床治疗与管理指南》，该指南与国际指南都纳入最新临床证据，系统评估了激素替代治疗（HRT）在POI中的应用。针对既往临床医生最顾虑的肿瘤患者HRT治疗（能否使用HRT、如何使用以及如何进行随访等），指南基于循证医学区分了雌激素依赖性肿瘤（如乳腺癌、子宫内膜癌）与非依赖性肿瘤，不再采取“一刀切”的禁忌策略，而是提倡基于复发风险评估、生活质量需求及多学科会诊指导下的个体化给药。 同时，两部指南均强调了对于POI高风险人群，尤其是医源性POI高风险人群，进行生育力保护和保存的必要性，《医源性POI指南》更强调了卵巢组织冷冻的重要性。 对于患者的长期管理从“症状控制”转向“全生命周期健康”，特别强调了POI患者在骨代谢、心血管风险及心理健康方面的长期随访路径。如今，随着我国人均寿命的不断延长，如何让所有人（尤其是这些卵巢功能过早衰竭的女性）实现健康长寿，已成为我们每一位生殖内分泌医生和妇产科医生必须面对的长远课题，也需要我们付出更多努力。 而这两部指南的更新，正为我们临床工作提供了更丰富的循证医学依据，也为POI的临床管理带来了更多诊疗思路上的启示与革新。 您团队开发的“卵巢衰老评估系统”已集成遗传、临床和生化指标，并于2025年进一步引入AI算法，相较于欧美主流评估工具，该系统在指标选取（如结合中国女性体质特征的内分泌参数）上有哪些本土化创新？ 秦莹莹 教授 我们团队研发的“卵巢衰老评估系统”的本土化创新主要体现在以下三个层面： 首先，在数据基础上，系统的所有核心模型都是建立在中国人群的长期随访与回顾性研究之上，比如覆盖全国11省份、5.1万女性的早绝经风险队列及COACH卵巢衰老队列（针对卵巢功能已出现衰老的女性的前瞻队列），使评估结果更贴合中国女性的生理与生活特征。相比之下，欧美工具多基于高加索人群数据，其激素参考范围、卵巢储备变化规律、生活方式等未必适用于中国女性。 其次，在风险因素整合上，我们通过文献调研和对比分析发现，国内外女性绝经年龄的影响因素存在明显差异，国外研究更关注环境和职业暴露、女性吸烟饮酒等，而在中国，家庭结构、地域文化、心理状态等社会人文因素的作用更为凸显。因此我们基于国内队列数据，在常规生理指标基础上，重点纳入了反映中国女性特定社会文化背景与生活实践的特征因素（比如家庭成员结构、南北方地域差异、生活习惯等），并运用机器学习筛选出对早绝经风险具有较高预测价值的本地化因子，实现个体化风险预测。 最后，在评估维度上，我们最新引入的AI算法构建了生殖年龄（rAge）模型，该模型突破了传统方法在处理指标间复杂非线性关系上的局限性，以超8万名多中心ART中国女性预期累积活产率为基准，将结局映射到对应的生殖年龄，并为每位女性生成个体化的生殖衰老曲线。这一创新不仅能直观展示生殖衰老进程，还能预测女性未来的生育力变化，为临床评估提供了更为科学、客观的依据。同时，这一系统模型的构建也是对党的二十届四中全会精神、“十五五”规划建议的“AI赋能千行百业”的积极回应，为AI驱动的女性生物学年龄评估及其个性化健康管理奠定了基础。 综上，我们的系统通过中国人群大数据驱动、本土社会环境因素整合以及生育力导向的rAge算法创新，为中国女性卵巢衰老的早期评估、早绝经风险的预测及个体化干预提供了更精准的、更贴合国人的工具。 您在2025年IFFS大会上提出，“解码卵巢衰老机制”需整合多组学数据与类器官模型。结合您团队今年启动的“POI专病数据库”及“人工卵巢”临床试验，您认为未来5年POI研究需突破哪些技术瓶颈？ 秦莹莹 教授 科学家通过卵母细胞与颗粒细胞的体外诱导及自组织，结合生物材料支架，已在卵泡体外培养方面取得一定进展。然而，该方法目前仍停留在单个卵泡发育水平，难以模拟正常卵巢组织的复杂空间结构与功能调控，因此“人工卵巢”构建还有很长的路要走。未来借助新型组学检测技术的突破，希望可以实现不同月经周期、不同年龄阶段卵巢内细胞身份、细胞外基质成分、功能状态以及细胞间相互作用的解析，继而对卵巢的组织结构和动态变化规律有更清晰的认识，再来指导功能化人工卵巢的构建，最终应用于卵巢相关疾病的诊断与治疗药物的研究。 在POI的诊断方面，未来应依托POI专病数据库中的多模态数据，构建人工智能模型以实现病因的精准诊断。如前所述，过去20年国内外学者围绕病因研究已积累了大量数据，相关认知也在不断更新，现在有必要对POI的病因分类与个体化治疗方案重新梳理，并系统呈现给临床医生和广大女性。 在POI的治疗方面，目前仍以传统激素替代疗法为主。新兴疗法如抗氧化剂、生长激素及干细胞治疗等，为患者提供了新的希望，但其适用人群与疗效尚不明确，制约了临床推广与应用。本团队通过建立干细胞体外功能评价方法，并联合应用透明质酸提高了干细胞的疗效。基于2年多的动物实验，已完成间充质干细胞联合透明质酸移植治疗POI的临床研究备案，已经启动临床研究，进一步明确干细胞治疗POI的安全性和有效性。我们期待这个项目能造福更多POI女性。 随着2026年5月1日《生物医学新技术临床研究和临床转化应用管理条例》的实施，新型生物疗法包括功能增强型干细胞、新型生物材料、卵巢靶向药物递送策略等将加速应用于POI的临床治疗中。相信未来3年，POI的研究在以上方向应该会有新的突破并更好地服务临床。 专家简介   秦莹莹 教授 山东大学附属生殖医院/妇儿与生殖健康研究院教授、主任医师、博士生导师。现任山东第一医科大学附属省立医院党委副书记、院长，生殖医学与子代健康全国重点实验室副主任。国家重点研发计划首席科学家、国自然创新群体项目负责人、国家杰青、优青、青长。研究方向：女性生殖健康与防治出生缺陷的基础与临床转化研究，绘制中国女性卵巢衰老遗传图谱，建立适用于中国女性的卵巢衰老评估系统。在NEJM、Nat Med、Nat Aging、PNAS等期刊发表SCI论文120余篇，授权发明专利7项、软件著作权3项。撰写《早发性卵巢功能不全临床诊疗中国专家共识》、《生殖内分泌学》（副主编）。荣获全国妇幼健康科学技术奖自然科学一等奖（第一位）、中国青年科技奖、中国青年女科学家奖、全国巾帼建功标兵、树兰医学青年奖等。兼任中华医学会妇产科学分会委员、山东省医学会妇产科学分会副主任委员等。妇产科学和内分泌与代谢两个领域“全球前2%年度影响力顶尖科学家”。 END 往期回顾 年度访谈 | 曹云霞教授：重塑生命起点，共绘线粒体遗传病家系无病未来 点击查看全文 → 年度访谈 | 赵涵教授：从精准分型到跨代健康，重塑PCOS全周期管理 点击查看全文 → 年度访谈 | 李蓉教授：解码生殖衰老，从机制突破走向精准预测与临床实践革新 点击查看全文 → 声明 本文由“HRU视界&妇儿界”编辑部负责翻译、撰写或约稿。内容仅供医疗卫生专业人士用于学术交流和科学研究，并不代表本平台观点。不能以任何方式取代专业的医疗指导，也不应被视为诊疗建议。 平台不对已发表内容的适时性，以及所引用资料（如有）的准确性和完整性等作出任何承诺和保证，亦不承担因该些内容已过时、所引用资料可能的不准确或不完整等情况引起的任何责任。如文章内容有误或涉及作品版权问题烦请告知，我们及时予以更正/删除。 如需转载，请联系FuErjie@med-think.com。未经授权的转载是侵权行为，版权方保留追究法律责任的权利。