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作者简介
许新蕾 山东大学胡慧丽课题组
PART 01
导语
“轻度脂肪肝”已成为体检报告中的常见诊断。从临床病理学视角看,代谢功能障碍相关脂肪性肝病(metabolic dysfunction-associated steatotic liver disease, MASLD)代表了一个高度复杂的疾病谱系。如果缺乏早期干预,单纯的肝细胞脂肪变性可逐步演变为伴随显著炎症反应的代谢功能障碍相关脂肪性肝炎(metabolic dysfunction-associated steatohepatitis, MASH),进一步发展为肝纤维化、肝硬化甚至肝细胞癌(hepatocellular carcinoma, HCC)[1]。
流行病学研究显示,近年来脂肪肝患病率显著上升,且呈现明显的年轻化趋势,已成为全球范围内最常见的慢性肝病。但是,至今仍然缺乏普遍适用于所有患者且能高效逆转纤维化进程的特效药物。
科研人员将通过高脂、高糖或蛋氨酸-胆碱饮食诱导的小鼠模型用来模拟人类脂肪肝发生和进程。然而人类与小鼠在脂质代谢通路、免疫系统的细胞亚群构成、胆汁酸合成途径以及肠道微生态等方面存在着差异,因此亟待建立目前细胞实验或动物模型的补充研究体系,以解决药物研发模型匮乏、物种差异导致的有效药物在临床实验中转化率不高的难题。
为突破这一困境,科学家们将研究目光投向了近几年兴起的前沿技术——类器官(Organoids)。这些使用原代组织来源细胞、多能干细胞或成体干细胞等体外培养形成,由组织特异性细胞类型组成、可自我更新和自组装,具有相应组织功能特性的三维(three-dimensional, 3D)培养物,正不断更新发育、再生、疾病的研究范式,并持续延展其在药物筛选与精准医疗的应用[2]。
图1 不同类器官模式图总结
PART 02
肝脏类器官的起源与探索
类器官并非简单的细胞聚集物,而是由干细胞在体外3D环境中自我更新和自组装形成的微型器官,能够高度模拟器官的细胞连接、空间结构和生理功能[3]。
2009年,荷兰科学家Hans Clevers团队完成了一项具有里程碑意义的研究成果:从小鼠的肠道隐窝中分离出成体干细胞,成功培育出首个功能性微型肠道类器官[4]。近十几年,视网膜类器官、大脑、肝、胰腺、肾、膀胱肺、前列腺等数十种类器官相继被成功建立(图1)。
肝脏类器官主要包括了以下几个模型与发展阶段(图2):
(1)多能干细胞(pluripotent stem cells, PSC)驱动的血管化“肝芽”构建:2013年,Takebe等学者在《自然》杂志上发表了奠基性工作。他们将诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)分化而来的肝内胚层细胞与脐静脉内皮细胞和间充质干细胞进行三维共培养,成功在体外诱导出具有自我组织能力的“肝芽”。这些“肝芽”在移植到小鼠体内后能够迅速形成功能性的血管网络[5];2018年,Rashidi等学者利用胚胎干细胞(embryonic stem cell, ESC)诱导生成具有分泌及代谢功能的肝脏类器官[6]。次年,王韫芳研究团队建立新的培养方法,生成人ESC来源的可增殖肝脏类器官,能够稳定维持双能肝祖细胞的表型特征[7]。
(2)组织来源的类器官:为了获取更接近真实成体肝脏生理状态的模型,Meritxell Huch等通过筛选特定的生长因子组合(如R-spondin 1, Wnt3a等),成功从人类肝导管组织中分离出具有双向分化潜能的成体干细胞,并在3D基质胶中实现了长期稳定扩增[8]。2018年,胡慧丽等建立了一种成体肝细胞3D类器官培养系统,实现了成熟肝细胞的体外长期扩增[9]。另有研究表明,成体原代肝细胞在特定信号(如TNF-α)刺激下可实现体外长期增殖并形成肝细胞类器官[10]。
(3)3D生物打印与微囊化:由于原代人肝细胞的缺乏且质量控制困难,其临床应用受到阻碍。因此,研究者们开始探索替代性细胞来源并结合3D生物打印技术。利用HepaRG细胞3D生物打印生成肝脏类器官,其在分化7天后具有分泌白蛋白、药物代谢和糖原储存等肝脏功能[11];清华大学孙伟、庞媛与北京大学邓宏魁团队合作,利用人类化学诱导多能干细胞衍生的肝细胞类器官进行3D生物打印,成功构建出高活性、功能性肝脏组织模型,在治疗肝衰竭方面具有显著疗效和良好的临床转化潜力[12];惠利健团队在《Cell Stem Cell》发表研究成果,实现了大规模制备海藻酸钠微胶囊包裹的可增殖人肝细胞类器官,并在80%肝切术后肝衰竭模型和药物对乙酰氨基酚诱导的肝衰竭小鼠模型中证明了其腹腔移植的治疗有效性[13]。目前该研究正在IIT临床研究中。
(4)复杂类器官与组装体(Assembloid):随着肝脏类器官研究不断深入,如何在体外稳定、完整的复现成年人体肝脏的细胞多样性、组织结构与生理功能成为关键难题。2025年,佐藤俊朗团队在《自然》杂志上发表研究,开发出具有代谢功能的人类成年肝细胞类器官,并通过优化类器官培养条件实现了成人肝细胞的长期扩增和正常分化[14];Takanori Takebe团队在《自然》杂志发表成果,通过向人类诱导多能干细胞中引入维生素C和胆红素,诱导出具有区域特异性的肝前体细胞,并通过细胞自我组装成功构建了多区域肝脏类器官[15];Meritxell Huch团队在《自然》杂志发表突破性研究,将肝脏类器官与同患者来源的胆管上皮类器官及门区成纤维细胞整合,首次在体外重建人类肝脏门区的多细胞结构与功能特征,成功构建出可长期维持、具有生理相关性的人源肝组织“组装体”模型[16]。该创新平台在结构、细胞组成与功能层面均填补了现有模型的空白,具有良好的应用潜力。
图2 不同来源肝脏类器官与组装体
肝脏类器官模型不仅模拟了细胞间的极性与立体物理接触,还重塑了复杂的细胞间旁分泌信号网络,高度还原真实人体微环境的特性,使其成为研究人类特异性代谢疾病的理想载体。
PART 03
代谢功能障碍相关脂肪性肝病类器官
类器官技术成熟前,体外脂肪肝研究主要依赖于单层培养的肝细胞。然而,代谢性脂肪肝并非单一肝细胞病变,而是涉及肝内多种细胞群体的复杂网络反应。为在体外真实再现这一过程,研究者构建了代谢功能障碍相关脂肪性肝病类器官系统。该类器官直接来源于人类细胞,保留人类特有的代谢基因网络与遗传背景,能够完美复现人体真实的代谢崩溃过程。通过在培养基中添加特定游离脂肪酸,模拟代谢紊乱状态下肝脏直接暴露于脂毒性微环境中的真实场景,成功在体外诱导出与临床MASLD/MASH相似的病理表型,还原了人体内“代谢-炎症-纤维化”的串扰机制(图3)[17]。
图3 MASLD肝脏类器官建立的关键事件
(1)脂质蓄积
在持续高脂负荷下,类器官内的肝细胞出现显著的脂质代谢紊乱。显微镜下可观察到细胞质内出现大量脂滴的异常堆积,导致肝细胞发生典型的气球样变。
(2)炎症反应
肝细胞受损或凋亡后释放出多种损伤相关分子,在多细胞共培养的肝脏类器官模型中,这些信号迅速被驻留的巨噬细胞识别,激活的巨噬细胞快速极化为促炎表型,释放促炎性细胞因子,模拟了从单纯性脂肪肝向脂肪性肝炎转化的关键临床病理节点。
(3)纤维化沉积
纤维化是脂肪肝向终末期肝病进展的关键步骤,传统体外模型难以复现这一漫长的组织重塑过程。通过将肝星状细胞引入类器官共培养体系,可实现肝纤维化的体外建模[18]。
图3 MASLD发病机制
PART 04
代谢功能障碍相关脂肪性肝病类器官应用
1.挖掘疾病深层机制
除再现脂肪肝进程外,类器官与前沿技术的结合,使我们能从分子层面解析MASLD的深层调控机制。例如:
基于CRISPR的脂肪变性靶点发现与药物筛选实现工程化人源肝细胞类器官:传统的药物靶点发现多依赖于动物模型中的单基因敲除,耗时长且通量低。Hans Clevers团队利用CRISPR-Cas9基因编辑技术结合工程化肝脏类器官,建立了高通量功能基因组学筛选平台——FatTracer,识别出脂肪变性过程中的关键药物靶点FADS2[19]。该发现不仅验证了肝脏类器官在探究脂肪变性机制与药物靶点研究中的强大潜力,也为新药研发提供了重要线索。
单细胞转录组学测序(single -cell RNA -sequencing, scRNA-seq)重构疾病动态演进图谱:代谢性肝病的发展涉及多细胞状态的异质性转变。将scRNA-seq技术引入MASLD类器官模型,可单细胞分辨率下解析代谢应激引发的各细胞类型转录组变化,揭示脂毒性应答中的多阶段代谢重编程,从而绘制出脂肪肝进展的立体分子图谱[20]。
2. 高通量药物筛选与精准治疗
类器官技术不仅是基础研究的利器,更在临床转化医学与药物开发中展现出巨大的应用前景。
在药物研发领域,可基于MASLD类器官构建药物毒性和人工智能(artificial intelligence, AI)药效评估平台(图4)。借助高通量筛选体系,研究者可以在大规模的类器官微孔板中同时测试数千种潜在的小分子化合物,评估其清除脂滴、抑制炎症因子释放或逆转纤维化沉积的效果。该方法可显著降低新药研发的试错成本,并有效规避动物模型带来的种属差异。
图4 结合微孔阵列、微流控装置与AI图像分析的自动化高通量药物筛选策略
在临床转化方面,研究人员能够从MASLD患者肝脏中提取细胞,培养出保留患者特有遗传缺陷和表观遗传印记的个体化类器官[21]。通过对这些临床来源的类器官进行功能表征,可在体外预先评估不同药物对特定患者的疗效,从而真正实现个体化给药。
PART 05
发展前景与战略布局
目前,类器官的发展逐步进入了国家层面的战略布局。2024年1月与6月,中国国家药品监督管理局(NMPA)药品审评中心相继发布指导原则,明确指出:“当缺乏相关动物种属/模型时,可考虑采用类器官等新技术、新方法进行探索性非临床研究。”2026年3月发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十五个五年规划纲要》将类器官与器官芯片首次纳入国家五年规划,明确列入前沿科技攻关任务。2026年5月1日将正式实施的《生物医学新技术临床研究和临床转化应用管理条例》明确干细胞规范临床转化途径,为未来产业加速发展按下“启动键”。
图5 类器官列入国家战略科技攻关任务
结束语
作为体外研究的重要工具,肝脏类器官在代谢功能障碍相关脂肪性肝病(MASLD)研究领域展现出广阔的应用前景。未来,随着单细胞技术、基因编辑与多器官芯片等技术的进一步融合,肝脏类器官有望在更接近真实病理的环境中揭示MASLD的动态演进机制,加速临床转化,最终为患者带来更精准、有效的干预手段。
参考文献
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