摘要：我们的肝脏不仅拥有强大的再生能力，还能在受到伤害时自我修复。但当这种自然修复过程出现问题时，比如在严重的肝病或癌症面前，我们能做些什么呢？现在，科学家们正在利用一种名为“肝类器官”的微型肝脏模型，来揭开肝脏疾病的秘密，并寻找新的治疗方法。这些在实验室中培育的微
我们的肝脏不仅拥有强大的再生能力，还能在受到伤害时自我修复。但当这种自然修复过程出现问题时，比如在严重的肝病或癌症面前，我们能做些什么呢？现在，科学家们正在利用一种名为“肝类器官”的微型肝脏模型，来揭开肝脏疾病的秘密，并寻找新的治疗方法。这些在实验室中培育的微型肝脏，不仅能够模拟真实肝脏的复杂功能，还可能彻底改变我们对肝病的治疗方式。让我们一起走进这个微观世界，探索肝类器官如何为肝脏疾病研究带来革命性的突破！
文章介绍
题目：患者衍生的类器官模型，用于解码肝脏病理生理学
杂志：Trends in Endocrinology and Metabolism
影响因子：IF=11.4
发表时间：2024年8月
#1
研究背景
Background
肝脏疾病，包括代谢功能障碍、酗酒和肝炎病毒感染等，正成为全球日益严峻的健康问题。随着肥胖和代谢性疾病的患病率不断上升，这一挑战愈发凸显。目前，肝移植是晚期肝病的唯一根治方法，但由于供体器官短缺，患者需求远远得不到满足。此外，尽管肝细胞输注在某些肝病治疗中显示出潜力，但如何有效利用肝细胞的再生能力，发展可用于临床的扩增肝细胞，仍然是研究的重点。
肝类器官技术的发展为疾病建模、药物筛选和个性化医疗提供了新的平台。这些模型不仅可以从非恶性肝组织中获取，还可以从肝癌组织中培养，从而为从急性损伤到慢性病变和癌症的多种肝脏状况提供研究手段。
尽管类器官技术在模拟肝脏病理生理方面具有巨大潜力，但要将这些体外模型转化为临床应用，仍面临许多挑战。例如，如何精确模拟肝脏微环境、如何确保类器官的遗传稳定性、以及如何将这些模型用于大规模药物筛选和个性化治疗策略。此外，需要进一步优化类器官的培养条件，提高其在临床研究和治疗中的可靠性和有效性。
本文综述旨在探讨患者衍生的肝类器官模型的最新研究进展，以及如何通过这些模型来解码肝脏病理生理学，为肝病治疗提供新的策略和方法。
#2
研究结果
Results
1. 肝病模型进展
肝病是一个重要且日益严重的健康问题，主要由代谢功能障碍、酒精和肝炎病毒感染导致，晚期肝病唯一的治疗方法是器官移植，但供体远远不足。肝细胞输注是另一种治疗方法，同时研究也在利用肝脏再生能力培养可扩展的肝细胞。原发性肝癌包括多种类型，治疗挑战大，需要新的治疗方法，而了解肝脏再生能力对开发新疗法至关重要。
肝脏由肝细胞和胆管细胞构成，受损后能自我再生，但决于损伤的类型和严重程度。肝祖细胞（HPC）在严重和慢性损伤条件下也可以再生肝细胞。为了模拟肝病和再生，研究人员已经转向类器官。这些类器官是自组织的3D细胞结构，通过重现器官型相互作用来模拟组织功能和结构的元素。研究人员建立了包括肝内胆管细胞类器官、肝外胆管细胞类器官、肝细胞类器官（HO）和肝癌类器官等类器官来模拟肝脏疾病和再生。本综述探讨了肝类器官模型的多样性及其对理解疾病机制、开发新疗法和个性化药物的贡献。
2. 胆道组织类器官
胆道类器官是通过酶解组织和在特定培养基中培养建立的，该培养基包含多种生长因子和拮抗剂。传统上，类器官在基于EHS小鼠肉瘤基质提取物（如Matrigel或BME）中扩增，这允许囊性类器官扩增并表达类似胆管的基因。EHS基质富含多种蛋白，能有效复制肝脏再生过程中的相互作用，并激活关键通路，维持干细胞身份。
为了维持胆道类器官的干细胞样特性，需要抑制TGF-β受体并激活cAMP。停用这些因子并应用Notch通路抑制剂及BMP7和地塞米松，则会导致肝脏分化。人类胆道类器官可以从胆道树的所有区域建立，培养效率因来源和纯化方法而异。肝内和肝外胆道上皮建立的类器官在基因表达谱上相似，但在细胞增殖控制、肝细胞相关基因和干细胞/祖细胞相关基因方面存在差异。在肝细胞分化培养基中培养时，部分类器官表现出肝细胞谱系特征基因的表达增加。Forskolin可用于功能评估，能增强囊性纤维化跨膜传导调节剂通道活性，导致类器官肿胀（图1）。
3. 肝细胞类器官
HO是通过将肝脏组织分离并在特定的培养基中培养得到的，这种培养基包含多种生长因子，如FGF7、FGF10、HGF以及Rspo-1等，以支持肝细胞的生长。与胆管类器官相比，HO的形成效率较低。小鼠HO强烈表达白蛋白，同时抑制胆管细胞角蛋白表达，并且在转录上类似于通过部分肝切除损伤诱导的增殖肝细胞。在胆管类器官培养基中培养时，HO可呈现胆道样特征。包括囊性形态和细胞角蛋白的表达，尤其是在胆管类器官培养基中培养时。此外，肿瘤坏死因子（TNF）的刺激也能促进HO的扩增。
HO的增殖和成熟状态之间存在平衡，这反映了肝细胞在肝切除术后的再生能力。来自不同发育阶段的HO在转录上与胎儿和增殖肝细胞相似，表达与未成熟肝细胞相关的甲胎蛋白（AFP）。而当HO移植到小鼠体内时，它们会失去AFP表达，显示出成熟的迹象（图1）。
图1
4. 类器官的临床应用：个性化再生医学的突破
肝细胞移植可以作为等待肝移植患者的一个过渡性治疗手段。然而，要使肝细胞移植成为一种可行的临床替代方案，还需要进行大量研究，以提高细胞存活率和输送效率，并克服肝脏损伤微环境的挑战。
类器官技术的发展为临床细胞生产提供了新的可能性，能够显著增强用于移植的细胞库的扩展，同时保持细胞的再生特性，为临床应用提供显著的益处和灵活性。在临床前研究中，成人、儿童和胎儿的HO显示出能够功能性地再生肝脏的能力，可用于移植和基因治疗。
为了提高HO的生成效率，研究人员正在探索利用胆管源性细胞转分化为肝细胞的能力，以及开发定义明确的合成材料来维持3D培养中的长期增殖能力。这些研究进展对于开发符合良好生产实践（GMP）标准的临床细胞治疗方法至关重要，有望为肝脏疾病的治疗提供新的策略。
5. 患者来源的类器官模拟肝脏疾病
PDO是理解和开发特定疾病个性化治疗方法的有用模型，已被用于研究影响肝脏发育和代谢的遗传性遗传疾病、代谢性或药物诱导的伤害、传染病和癌症（表1）。
表1
5.1 胆管病变的动态建模
类器官作为胆管病的动态模型，准确地再现了胆管上皮的形态发生和成熟过程。例如，Alagille综合征（AGS）患者的类器官能够重现由先天性Notch信号通路缺陷引起的胆管畸形和胆汁淤积。这些类器官在胆管上皮成熟培养基中无法正常成熟，反映了AGS患者胆管发育的缺陷。类器官还能够模拟胆管分支形态发生，再现成熟胆管细胞的形态和基因表达特征。类器官也被用于模拟与炎症相关的胆管疾病，如原发性硬化性胆管炎（PSC）和胆管闭锁（BA）。缺血性胆管病模型反映了移植后肝脏的行为，可以用来评估缺血性胆管病的治疗方法，以及评估FDA批准的坏死性凋亡抑制剂的有效性。
5.2 类器官模拟肝细胞病理
通过特定的生长因子和信号通路抑制剂，胆管源性类器官可以分化为类似肝细胞的细胞（ICO-HLC），用于模拟多种肝细胞病理，包括单基因遗传性代谢错误、脂肪肝病和病毒感染。这些类器官能够表达与肝脏特异性代谢过程相关的基因，并可用于检测相关疾病。例如，通过特定处理，ICO-HLC可以模拟甲基丙二酸血症（MMA）、威尔逊病、α-1抗胰蛋白酶缺乏症（AAT）等遗传性疾病，并重现患者疾病特征。此外，ICO-HLC还支持肝炎病毒感染，如乙型肝炎病毒（HBV）和戊型肝炎病毒（HEV），并可用于评估抗病毒药物的效果。在脂肪肝病方面，ICO-HLC可以通过特定处理模拟脂质积累特征，并用于评估潜在的治疗药物。CRISPR工程化的类器官和诱导多能干细胞衍生的肝细胞类器官（iPSC-HO）为研究脂肪肝病提供了强大的系统，有助于理解疾病机制并为患者开发新治疗策略。通过人群类器官面板等高通量系统，可以检测肝细胞中脂肪积累的遗传决定因素，为个性化治疗提供依据。
5.3 患者衍生的肿瘤类器官
患者衍生的肿瘤类器官（PDTO）是从肝肿瘤组织中生成的，可模拟患者特定的药物反应并发现新生物标志物。肝细胞癌（HCC）PDTO建立率较低，与源组织中增殖细胞比例相关，且肿瘤分化程度低。胆管癌（CCA）PDTO建立率通常高于HCC，但并非所有类器官都能长期生长。PDTO准确再现了遗传多样性、组织学特征和标志物表达，比2D培养肝肿瘤细胞系更接近原始肿瘤组织，且表现出独特的患者特定化疗药物反应。此外，PDTO还模拟了肿瘤异质性，展示了不同的突变和药物反应模式。最近的研究通过建立大规模的肝PDTO库，对这些类器官进行了全面的遗传、表观遗传、转录组、蛋白质组和药物反应分析。然而，PDTO临床应用受到限制，包括成功率低和缺乏大规模前瞻性研究。尽管存在这些限制，PDTO仍被视为建立精准医疗和生物标志物发现的宝贵资源（图2）。
5.4 具有肿瘤微环境的PDTO模型
肝癌微环境具有独特性，现有类器官模型无法准确模拟。蛋白质组学分析显示，HCC和CCA的细胞外基质（ECM）具有不同特征。CCA组织中的胶原蛋白丰富且较硬，使用去细胞化支架培养CCA-PDTO能够保留患者特定的细胞结构，并显示出化疗耐药性。在特定微环境中培养的CCA-PDO揭示了癌症干细胞和MET基因等的微环境相关修饰，为评估微环境在CCA中的作用和开发治疗方法提供了系统。通过改变培养基，可诱导CCA-PDO中的化学耐药性和更接近原发肿瘤的基因表达谱。此外，使用水凝胶前体产生的微胶囊CCA-PDO有利于药物筛选，提高了试验的重复性。除了细胞外环境，肝肿瘤还含有复杂的基质细胞网络，包括癌相关成纤维细胞（CAF）、内皮细胞和免疫细胞，这些细胞介导多种原癌信号通路。条件培养基实验表明，基质细胞与PDO的相互作用影响生长和化疗耐药性。模拟肿瘤和免疫相互作用对于药物开发至关重要，而基于PDTO的模型为开发肝癌免疫疗法提供了可能（图2）。
6. 先进的类器官分析：集成成像、机器学习和光谱学
评估类器官反应的传统方法依赖破坏性测定，而成像技术能全面分析细胞属性，提供时空读数，预测建模，并与多组学数据整合。高内涵成像有助于实时评估类器官反应，在类器官发育和治疗反应期间表征形态变化的流程有助于分类和靶向异质细胞群体，并可能促进使用多参数数据预测药物反应和组合。拉曼光谱作为一种无损技术，与光学显微镜结合可整合无标记的形态和分子信息，实现无标记定量，量化亚细胞分子组成和代谢变化，提供更深入的生物反应特征（图2）。
图2
#3
研究结论
Results
肝类器官是从患者自身细胞中培育的3D结构，能模拟肝脏的功能与结构，既助力肝脏疾病研究，又可用于新药筛选和个性化医疗。尽管类器官技术在肝脏领域潜力巨大，但要实现临床应用仍需克服挑战。未来研究需聚焦于精确模拟肝脏微环境，包括细胞外基质特性及其对类器官生长、形态和药物反应的影响，以开发新疗法，特别是针对代谢和形态疾病的再生疗法。
为推动技术发展，科学家正探索创新生物材料和多细胞培养系统，并结合先进成像、机器学习和光谱学，深入理解细胞行为，结合多组学数据，提高药物反应预测准确性。在肝癌治疗方面，研究肿瘤体外培养难题有助于发现新分子靶标，结合临床、分子和药物数据，可制定更精准治疗方案，使肝类器官成为连接实验室与临床的桥梁。
总之，肝类器官技术需跨学科合作，融合临床、转化和基础科学知识，以最大化其在肝脏再生、疾病和代谢研究中的潜力。随技术进步，有望为肝病患者提供更有效治疗选择。
参考文献
Dwyer BJ, Tirnitz-Parker JEE. Patient-derived organoid models to decode liver pathophysiology. Trends Endocrinol Metab. 2024 Aug 26:S1043-2760(24)00200-5. doi: 10.1016/j.tem.2024.07.019. Epub ahead of print. PMID: 39191607.
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来源：培养盒守护者
