类器官研究进展之——肝脏类器官
2018/3/14 中科院再生医学

     导语

     肝脏是人类最重要的执行代谢功能的器官之一，也是许多常见疾病的靶器官。一些严重的肝脏疾病如肝衰竭除肝移植外目前尚无有效治疗手段，急需探索新的治疗手段，而类器官的出现给我们指明了今后努力的方向。继第一期介绍了什么是类器官及其发展历史后，本期将向您介绍肝脏类器官的研究历史及其应用。

    

     肝脏是脊椎动物身体内执行代谢功能的最重要的器官之一，它负责生产许多重要蛋白质、维生素、脂质、碳水化合物，进行多种代谢物的解毒，并合成消化所必需的物质。

     肝脏也是一些常见疾病的靶器官，包括有传染性的病毒性疾病如乙型肝炎、丙型肝炎、疟疾等；非病毒性疾病如酒精性肝病，中毒性肝炎等；新陈代谢异常性肝病；脂肪性肝病；以及肝脏恶性肿瘤……

     据2012年世界卫生组织发布的《病毒性肝炎感染的预防与控制：全球行动框架》指出，大约5亿人感染乙型肝炎病毒(HBV)或丙型肝炎病毒(HCV)。每年大约有1百万人死于病毒性肝炎引起的有关疾病(约占所有死亡病例的2.7%)，最常见的是肝脏疾病，包括肝癌。估计57%的肝硬化病例和78%的原发性肝癌病例是乙型或丙型肝炎病毒感染所致^[1]。

     有些严重的肝脏疾病如肝衰竭除肝移植外目前尚无有效药物，急需探索新的治疗手段，而类器官的出现给我们指明了今后努力的方向。

     类器官(organoids)是具有器官关键性特征的三维(3D)细胞培养物，它包括一个自我更新干细胞群，可分化为多个器官特异性的细胞类型，与相对应的器官拥有类似的空间组织并能够重现对应器官的部分功能，从而提供一个高度生理相关系统。通过培育类器官，可以开发模拟人类疾病的更好模型，和高效、廉价、准确的药筛平台。肝脏类器官更接近体内肝脏结构，生理学和药理学响应更加真实，是用于肝脏代谢、毒性研究，以及肝病专用药物开发的强大工具。

    

     肝脏类器官研究的基础是体外获得有功能的肝细胞。肝细胞分离始于20世纪60年代中期， Howard等人开发了一种机械/酶联合消化技术来分离大鼠肝细胞，后来由Berry和Friend ^[2，3]改进。

     Seglen公司进一步改进了这种方法，形成当今实验室中广泛使用的胶原酶两步灌注法^[4]。但至今，高质量的原代肝细胞的培养依然困难重重。由于二维培养与体内微环境差异巨大，原代培养的肝细胞倾向于去分化成成纤维样细胞，从而失去了肝脏特性功能。为了克服这些问题，科学家研发了用来模拟肝脏内肝细胞的三维环境和形态3D培养技术。从单一型或异型球体^[5,6]到3D支架系统，以及微流体体外系统的应用^[7]，肝细胞的3D培养技术经历了一系列的改进和优化。目前已经开发了多种商业化的3D共培养平台，用于药物筛选和药物研究，如“Hepatopac”平台^[8]; Insphero的3DInSight?Human Liver Microtissues(图一)，HepaChip?体外微流控系统^[9]或Hμrel?microliver平台^[10]等。

    

     S.Messner et al Archives of Toxicology 2013,87(1):209-213

     图一 在96孔悬滴培养平台(Gravity PLUS TM)中培养肝脏微组织及其大小和形态

     肝脏类器官是3D体外培养物的更高级形式，理论上应该更好地复制和模拟体内肝组织的三维环境，不同细胞的空间位置和之间的功能交流，以及细胞存活、增殖和发育所必要的物质新陈代谢保障等。这些问题困难重重，需要细胞生物学、组织工程学和材料学等多学科的完美配合。经过全球科学家的努力，目前干细胞的理论和应用研究、新型生物材料的研发、3D生物打印技术以及细胞芯片和微流控技术等都有了长足发展，为肝脏类器官的研究提供了坚实的基础。

     类器官也可以用来精确模拟肝癌的发生发展^[11,12,13]。在多数的肝癌研究中，传统的二维细胞培养模型不能反应体内癌症结构的复杂性以及健康组织与癌细胞之间的相互作用。3D培养的肝癌类组织可以用来更好地评估导致肿瘤发生和发展的细胞变化，测试癌组织对药物的反应^[12]。近期发布于《Nature Medicine》期刊的一项研究中，英国研究团队在实验室成功培养出第一个人类原发性肝癌的类器官模型(图二)，并应用于药物测试，包括现行癌症治疗用药及研发中的癌症新药，他们发现一种能抑制ERK蛋白活性的抑制物，能有效作用于类肿瘤细胞，被视为肝癌研究的重大里程碑^[13]。

    

     Broutier,L et al Nature Medicine.2017, 23:1424-1435

     图二 患者来源的原发性肝癌类器官培养物经过长期体外扩增，同时维持其来源的肿瘤亚型的组织学结构

     目前，虽然类器官在体外实验中表现出一定的自我更新和分化的能力，但是传代次数有限。如何提高传代能力是一个重大挑战。此外，体外组织培养一直无法再现生物体内血管淋巴网络，实现血管化是将类器官成熟化的关键。Takanori Takebe 在Nature第一次报道了用诱导多能干细胞(iPSC)成功地培育出血管化的肝脏类器官，在类器官研究领域取得了重大突破(图三)^[14]，但距离真正意义上的体外构建肝脏组织还有很长的路要走。

     如何提高类器官成熟度，使目前低级的类器官向更高级方向转化，从而更加接近生理或致病状态，比如引进免疫系统等，将是未来研究的一个重要方向。

    

     Takebe, T et al Nature.2013, 499(7459):481-484

     图三 通过培养具有内皮和间充质谱系的肝内胚层细胞可以在体外重现三维肝芽的形成

     参考文献：

     1. 世界卫生组织(2012)病毒性肝炎感染的预防与控制：全球行动框架

     2. Howard RB, Christensen AK, Gibbs FA,Pesch LA (1967) The enzymatic preparation of isolated intact parenchymal cellsfrom rat liver. J Cell Biol 35:675-684

     3. Berry MN, Friend DS (1969) High-yieldpreparation of isolated rat liver parenchymal cells: a biochemical and finestructural study. J Cell Biol 43:506-520

     4. Seglen PO (1976) Preparation of isolatedrat liver cells. Methods Cell Biol 13:29-83

     5. Luebke-Wheeler JL, Nedredal G, Yee L,Amiot BP, Nyberg SL (2009) E-cadherin protects primary hepatocyte spheroidsfrom cell death by a caspase-independent mechanism. Cell Transplant18:1281-1287

     6. Sakai Y, Yamagami S, Nakazawa K (2010)Comparative analysis of gene expression in rat liver tissue and monolayer- andspheroid-cultured hepatocytes. Cells Tissues Organs 191:281-288

     7. Usta OB et al (2015) Microengineeredcell and tissue systems for drug screening and toxicology applications:evolution of in-vitro liver technologies. Technology 3:1-26

     8. Chan TS et al (2013) Meeting thechallenge of predicting hepatic clearance of compounds slowly metabolized bycytochrome P450 using a novel hepatocyte model. Hepato Pac Drug Metab Dispos:the biological fate of chemicals 41:2024-2032

     9. Schütte J et al (2010) Amethod for patterned in situ biofunctionalization in injection-moldedmicrofluidic devices. Lab Chip 10:2551-2558

     10. Baxter GT (2009) Hurel-an in vivo-surrogateassay platform for cell-based studies. Altern Lab Anim: ATLA 37(Suppl 1):11-18

     11. Bruix J, Reig M, Sherman M (2016)Evidence-based diagnosis, staging, and treatment of patients withhepatocellular carcinoma. Gastroenterology 150:835-853

     12. Dedhia PH, Bertaux-Skeirik N, Zavros Y,Spence JR (2016) Organoid models of human gastrointestinal development anddisease. Gastroenterology 150:1098-1112

     13. Broutier, L et al (2017) Human primaryliver cancer–derived organoid cultures for disease modeling and drugscreening. Nature Medicine, 23:1424-1435

     14. Takebe, T et al (?2013) Vascularizedand functional human liver from an iPSC-derived organ bud transplant. Nature.499(7459):481-484

     本期特约作者简介：

     索广力，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，研究员。

     研究方向：肿瘤转移，间充质干细胞的优化和三维环境模拟。

     类器官专栏：

     类器官——研究疾病的利器，再生医学的未来

     编辑：李佳音

    

    

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