类器官、单细胞分析技术、MAPK信号通路

听说“类器官”和“单细胞分析”技术比较火，小编也来凑个热闹。最近，Nature Cell Biology 刊登的题为 Quantifying single-cell ERK dynamics in colorectal cancer organoids reveals EGFR as an amplifier of oncogenic MAPK pathway signaling 的研究，作者团队通过 ERK 生物传感器 EKAREN5 监测结肠直肠癌 (CRC) 类器官中的单细胞 ERK 水平动态变化，揭示了有致癌突变的 MAPK 通路信号中，上游的 EGFR 是关键的信号放大因子。该研究用到了类器官和单细胞分析技术，还涉及了 MAPK 这条复杂的信号通路。

类器官 (Organoids) 技术：类器官是细胞衍生的体外 3D 器官模型，可在模拟内源性细胞组织和器官结构的环境中研究生物学过程，例如细胞行为、组织修复以及对药物或突变的反应。重要的是，3D 体外模型保留了体内肿瘤的组织病理学特征，包括患者特异性药物反应。类器官是一项重大技术突破，在药物筛选、疾病建模、基因编辑和移植方向的应用都表现出巨大的潜力。
 

图 1. 类器官被 Nature Methods  选为 2017 年度最佳方法[一般类器官的建立：多能干细胞 (PSC/ASCs) 或切碎的组织块在含有细胞外基质 (小肠上皮类器官建立可用 Lgr5 +  干细胞代替) 和相应器官生长需要的生长因子的 3D 培养基，即组织特异性的生长微环境中培养，驱动干细胞形成类器官的组织结构。目前已经有多种建立类器官的方法，科研人员已经成功建立了肠道、大脑、胃、肝等多种不同组织的类器官。]

单细胞分析：随着生物学研究的不断深入，细胞间异质性的探讨是必然的趋势，因此，在单细胞水平上基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和细胞间相互作用的研究越来越重要，单细胞分析如单细胞测序技术、单细胞免疫印迹技术等成了必不可少的研究手段。
 

图 2. pan-HER 抑制剂 Afatinib 作用于 MAPK 信号通路

MAPK 信号通路十分复杂，由于正、负反馈的存在，下游 ERK 信号动力学表现出振荡 (Oscillatory) 特质，即脉冲波动。单细胞 ERK 动态监测肿瘤组织的药物反应有助于我们对靶向治疗反应的认知。而KRAS 或 BRAF 突变 CRC 肿瘤中， EGFR 传导的信号和 KRAS 和 BRAF 突变两者诱导的 ERK 活化动力学仍有疑问，例如两者谁起核心作用，为了探究这个问题，Hugo J. G. Snippert 教授的团队用 ERK 生物传感器检测 CRC 类器官中的单细胞 ERK 活性。

■ 监测 CRC PDOs 中单细胞 ERK 的药物应答

为了了解具有突变的 MAPK 途径的人类肿瘤中的药物反应，作者团队重新设计了 ERK 生物传感器 EKAREN5 来捕获 CRC PDOs 中单细胞 ERK 图谱的动态性质。

首先，作者团队建立了 MAPK