肝脏类器官研究进展与应用综述

王梓伊 李英杰 牛宇敏 刘文昕 张振华 刘健谕

摘要：肝脏是人体最重要的内脏器官之一，它在人体内承担着多种重要的生理功能，包括代谢调节、解毒排泄、胆汁合成和储存等。近年来，随着生物医学研究的进展，人们对肝脏类器官的研究越来越深入，并取得了一系列重要的研究成果。肝脏类器官研究的重点之一是肝脏组织工程。肝脏组织工程是利用生物材料和细胞等技术手段，研究和构建功能性肝脏组织的过程。该领域的研究成果对于解决肝脏移植和肝脏疾病治疗等问题具有重要意义。因此，本文在研究中采取文献综述的研究方法，针对目前肝脏类器官的研究进行情况进行综述，更好的为肝脏疾病的诊断和治疗提供了新的思路

关键词：肝脏类器官；研究进展；应用综述

一、引言

肝脏类器官的研究一直是生物医学领域的热点之一，随着生物技术和生物材料的快速发展，越来越多的研究成果在肝脏类器官研究中涌现出来，目前肝脏组织工程的研究取得了显著进展。通过使用不同的细胞种子和支架材料，研究人员已经成功地构建了具有功能性的肝脏组织，这些人工肝脏组织具有解毒排泄、代谢调节和胆汁合成等功能，可以作为肝脏移植的替代品，为肝脏疾病的治疗提供新的思路。部分研究人员通过使用多种细胞种子和支架材料，已经成功构建了具有功能性的人工肝脏组织，并在动物模型中得到了广泛应用。因此，肝脏类器官的研究进展和应用涉及到肝脏组织工程、肝细胞功能调控和疾病机制研究、肝脏再生和肝癌研究等多个领域，对于解决肝脏疾病和改善患者生活质量具有重要的意义[1]。

二、iPSC分化来源的肝脏类器官

iPSC（人工诱导多能干细胞）是一种能够通过重编程成体细胞而得到的多能干细胞，它具有与胚胎干细胞相似的特性[2]。iPSC可以来源于多种类型的细胞，包括经过重编程的皮肤细胞、血细胞和尿液细胞等，基于iPSC的技术已经被广泛应用于肝脏类器官的研究和再生。通过将iPSC经过肝细胞分化的特定培养条件，可以将其转化为具有肝细胞特征的细胞，这些iPSC来源的肝细胞能够表达肝脏特异性的标志物和功能蛋白，并且具有肝细胞的代谢、解毒和合成功能[3]。Kamath[4]等人在研究中通过添加特定的分化诱导因子，如维甲酸（vitamin A）、成纤维细胞生长因子10（FGF10）和活化素A（retinoic acid），成功地促使iPSC向胆管细胞分化

除此之外，iPSC来源的肝细胞可以用于模拟肝脏疾病的研究，例如肝炎病毒的感染、肝脏毒性物质的评估，以及药物代谢和肝癌的研究等，研究结果显示，经过这种分化诱导的iPSC可以表达多种与胆管细胞相关的标记基因和功能蛋白，如Sox9、Hnf6、Ck19和Krt7等。Akbari[5]等人开发了一种高效和快速产生肝类器官的方法，首先，他们将iPSC诱导分化为内胚层（endoderm）细胞，这是胚胎发育中肝脏起源的层次之一，根据表面标志物EpCAM（epithelial cell adhesion molecule）的表达，他们使用流式细胞荧光分选技术，选出EpCAM+内胚层祖细胞。EpCAM+内胚层祖细胞被转移到三维培养系统中，如脑膜管培养基或以凝胶为基质的培养基。在这种环境中，细胞可以发展成为肝细胞类器官。

三、胚胎干细胞来源的肝脏类器官

胚胎干细胞（ESCs）来源的肝脏类器官是指通过利用胚胎干细胞分化为肝细胞，从而构建具有肝脏功能的组织或器官。胚胎干细胞是从早期胚胎中获得的多能干细胞，具有高度的自我更新和多向分化潜能，通过特定的培养条件和分化诱导因子，胚胎干细胞可以分化为各种不同类型的成熟细胞，包括肝细胞。通过胚胎干细胞来源的肝脏类器官的构建，可以获得具有肝脏特征和功能的组织，用于研究肝脏发育、肝脏疾病的发生机制以及新药筛选等方面。清华大学长庚医院WANG[6]团队在2019年的研究中利用新型培养基成功构建了人类胚胎干细胞（ESCs）衍生的可扩展肝类器官（human ESC-derived, expandable hepatic organoids, hEHOs）。该类器官可以稳定地维持双向潜能肝干细胞的表型特征, 能分化为功能性肝细胞或胆管细胞。

四、成体干细胞来源的肝脏类器官

成体干细胞来源的肝脏类器官是指利用成体干细胞进行肝脏组织工程，以构建具有肝脏特征和功能的组织或器官。成体干细胞是成熟组织中存在的一类具有自我更新和多向分化潜能的干细胞，常见的成体干细胞包括骨髓干细胞、脂肪干细胞和肝细胞中的肝干细胞。通过提取成体组织中的肝干细胞，并进行体外扩增，通过适当的培养条件和分化因子诱导分化为具有肝细胞特征和功能的细胞。2018年CLEVERS[7]实验室的研究建立了肝细胞源性类器官培养系统（hepatocyte organoids, Hep-Orgs），探索了成熟的小鼠肝细胞和人肝细胞的三维扩增能力，这项研究的重要之处在于建立了一种能够在体外培养和扩增肝细胞的类器官系统，这种类器官可以保留肝脏的特征和功能。这对于逆转肝脏损伤、肝再生研究和药物筛选等方面具有重要意义。Lin

[8]等人在研究中研究也证明，CCL4损伤能引起肝脏的纤维化和Lgr5 + 肝干细胞的增殖，分离Lgr5 + 细胞进行3D培养能得到具有内腔结构的类器官。

五、肝脏类器官的应用

（一）疾病模型

肝脏类器官在疾病模型方面有着重要的应用，通过构建具有肝脏特征和功能的类器官，可以更好地研究和理解肝脏疾病的发生机制，并探索新的治疗策略。首先，肝脏类器官可以用于模拟病毒性肝炎，如乙型肝炎病毒（HBV）和丙型肝炎病毒（HCV）的感染。研究人员可将病毒加入到类器官中，研究病毒的生命周期、感染机制以及对肝脏细胞的影响，从而探索新的治疗方法和疫苗策略，加速肝炎的治疗研究进展。其次，肝脏类器官也可用于构建肝癌模型，提供一个体外模型来研究肝癌的发生、进展和转移过程，并评估新型抗癌药物的疗效。Baktash[9]等在研究中利用HCV感染肝癌类器官，构建出的HCV疾病模型不仅可表达HCV定位相关因子，且可对其作用机制进行研究。

（二）器官移植

由于供体器官的稀缺和移植排斥反应的风险，肝脏类器官的研究和应用可能提供新的解决方案和替代方法。肝脏类器官的研究目标之一是构建具有肝脏功能的人工肝脏,人工肝脏可以作为暂时的替代品，在患者等待正式的肝脏移植时，提供代谢调节、解毒排泄和胆汁合成等肝脏功能,这种器官可通过体外培养的肝细胞类器官或通过使用编制的肝干细胞/多潜能干细胞来源的肝细胞构建。除此之外，肝脏类器官也为肝损伤和肝疾病患者提供了肝脏干细胞移植的可能性。通过利用肝脏类器官中培养和扩增的肝脏干细胞，可以考虑将它们移植回患者体内，促进肝脏再生和治疗。

（三）药物研发

肝脏是药物代谢和解毒的重要器官，因此肝脏类器官可以用于模拟药物在体内的代谢和毒性作用，通过该类器官对新药的毒性评估和疗效预测进行有效的筛选，从而提高药物开发的效率和安全性。肝脏类器官能够提供理想的模型来研究肝脏疾病的发生机制、进展和新治疗方法，例如，肝类器官可以用于研究肝炎病毒感染机制、肝纤维化和肝癌的发展过程等。

六、结束语

综上所述，当前国内外学者的研究中，肝脏类器官的研究进展和应用涵盖了肝脏组织工程、肝细胞功能调控和疾病机制研究、肝脏再生和肝癌研究等多个领域。通过构建具有肝脏特征和功能的类器官，深入地研究肝脏的生理功能、疾病发生机制并探索新的治疗方法，为肝脏疾病的诊断和治疗提供了新的思路和技术手段。

参考文献：

[1]朱翔,张静引,王丽蕊.人源肝脏类器官的研究及应用进展[J].中国生物工程杂志,2023,43(08):20-29.

[2]林丽,雷妙,林佳漫等.肝脏类器官的研究进展及应用[J].中国科学:生命科学,2023,53(02):185-195.

[3]景思佳,郑慧琳,张蕾.肝脏类器官的研究进展[J].中国生物医学工程学报,2021,40(02):237-246.

[4]Kamath, Binita M ,Grompe,et al.Directed differentiation of cholangiocytes from human pluripotent stem cells[J].[2023-09-09].

[5]Akbari S, Sevinç G G, Ersoy N, et al. Robust, long-term culture of endoderm-derived hepatic organoids for disease modeling. Stem Cell Rep,2019, 13: 627–641

[6] WANG S, WANG X, TAN Z, et al. Human ESC-derived expand able hepatic organoids enable therapeutic liver repopulation and pathophysiological modeling of alcoholic liver injury [J]. Cell Res, 2019, 29(12): 1009-26.

[7] HU H, GEHART H, ARTEGIANI B, et al. Long-term expansion of functional mouse and human hepatocytes as 3D organoids [J]. Cell, 2018, 175(6): 1591-606,e19.

[8] Lin Y, Fang Z P, Liu H J, et al. HGF/R-spondin1 rescues liver dysfunction through the induction of Lgr5 + liver stem cells. Nat Commun, 2017, 8:1175

[9]BAKTASH Y，MADHAV A，COLLEＲ K E，et al．．Single particle imaging of polarized hepatoma organoids upon hepatitis Cvirus infection reveals an ordered and sequential entry process[J]．Cell Host Microbe．，2018，23( 3) : 382－394．

作者简介：王梓伊 2002年7月10日 男 山西潞城 汉 本科在读 山西医科大学

研究方向:基础/临床医学

李英杰 2003.06.08  男  山西省运城市  汉 本科在读  山西医科大学

牛宇敏  2003年8月24日  男  山西省长治市  汉  本科在读  山西医科大学

刘文昕 2003年1月18日  男 山西省大同市  汉族  本科在读  山西医科大学

张振华  二零零三年一月一日  男 山西省新荣区  汉族  本科在读  山西医科大学

刘健谕 2002年2月23日  男  山西省忻州市  汉  本科在读  山西医科大学