再生医学作为一种治疗方式具有巨大的潜力，所用细胞的特性对这种方法的有效性至关重要。肝脏类器官的出现不仅为人类生理学和病理生理学提供了新的见解，而且为再生医学和转化应用提供了最佳的细胞来源。
今天小学社给大家推荐一篇关于肝脏组织工程和再生医学的高分综述文章，文章介绍了肝脏类器官的基本原理和应用，探讨了类器官系统的优点、局限性以及未来的挑战和发展方向。本文强调了跨学科合作的重要性，旨在推动肝脏组织工程和再生医学的发展，以改善肝病患者的生活质量。
随着再生医学、诱导多能干细胞（iPSC）技术和类器官培养的进展，再生肝病学已成为替代终末期肝移植的发展方向。尽管肝脏具备较强的再生能力，但在严重或慢性损伤情况下，其再生能力会严重减弱，导致终末期肝病缺乏有效治疗方法。因此，研究人员积极探索将再生医学与细胞替代等技术相结合的方法。
再生肝病学主要采用细胞治疗、干细胞移植和激活内源性干细胞等策略，以实现替代、再生和恢复的目标。此外，再生药物治疗、类器官和生物工程肝组织等平台也在不断研发中。终末期肝病的细胞治疗已经被广泛研究多年，为再生肝病学的最新进展奠定了基础。然而，这些方法都存在着局限性，而肝类器官技术的发展为克服这些挑战提供了新的可能性。
历史背景
近年来肝脏类器官技术得到了广泛的应用和发展：
在过去十年中，对类器官的研究和应用快速增长（图1），但其命名较为混乱，近期发布了共识文件对其进行了定义和分类。虽然这提供了共同理解，但未来需要更好的命名系统。
肝细胞类器官
肝脏是一个重要的内脏器官，具有多种基本代谢、药物解毒、凝血因子生产、胆汁分泌和蛋白质合成等功能。肝细胞类器官的发展为研究肝脏发育、生理组织稳态和病理转化提供了强大的平台。
本文介绍了肝胚胎前体细胞的生成和肝芽的形成过程，利用多能干细胞共培养间充质干细胞和脐带内皮细胞形成的胚胎肝芽类器官能在药物性肝衰竭小鼠模型中实现再生和治疗效果。以及利用肝细胞类器官作为再生医学工具，可以实现药物筛选、肝疾病研究、肝移植前体细胞培养等应用。
除此之外，一些研究者还尝试利用iPSC或EpCAM阳性细胞结合不同的培养方法建立具有胆道结构的功能性肝组织。利用前肠和中肠类器官的混合物，研究人员可以全面了解肝脏发育的不同阶段，为开发与体外移植兼容的功能性“微型肝脏”奠定基础。
胆管细胞类器官
胆道系统对于肝脏再生治疗起到了重要的作用，因为胆道上皮细胞（胆管细胞）具备再生能力，并且可以通过微创方法进行移植。这些细胞具有保护肝脏、调节胆汁成分并输送物质的功能。胆管病变在肝脏移植中占据较大比例，因此亟需开发替代治疗方法。过去困扰着体外细胞培养的问题已得到解决，现在可以利用多种来源的细胞构建胆管细胞器官类系统来应对这个挑战（图2）。
图2
基于iPSC的系统：通过将iPSC分化为肝母细胞样细胞，并进一步发展为胆道谱系，研究者成功地建立了胆管细胞类器官。这些类器官能够概括成熟胆管细胞的功能，为疾病模型和药物筛选提供了新的研究工具。然而，目前这些类器官的成熟程度和遗传稳定性还需要进一步改善。
主要基于组织的系统：采用原始组织来源的导管类器官系统可以通过典型和非典型Wnt信号通路生长。这些系统代表了胆道细胞在健康和疾病之间可塑性谱的不同末端，并具备不同的功能和再生潜力。尽管原始组织类器官系统具有易于繁殖和遗传稳定性的优势，但获取原始组织可能存在一定困难。
疾病模型：利用患者胆管细胞类器官可以在体外模拟胆道疾病，并进行治疗囊性纤维化肝病药物的筛选。然而，这些类器官在脱离原生环境后可能会丧失一部分特征，因此在培养过程中引入疾病微环境是至关重要的。
非实质类器官
肝星状细胞（HSC）是肝脏主要的间充质细胞，具有重要的生物学功能。通过利用iPSC衍生的成熟和扩增的HSC祖细胞，研究人员成功地建立了基于HSC的体外模型，用于深入研究肝脏病理情况，尤其是纤维化的发生机制。相比传统细胞培养的局限性，这一模型可以保持静态表型和重要功能特征。另外，他们还开发了一个类器官模型，用于概括脂肪性肝炎的特征。这些模型为研究肝脏疾病机制和寻找抗纤维化疗法提供了新工具。
肝再生医学中的类器官
肝类器官是再生医学和研究领域的一项革命性发展，它们为研究疾病、发育过程、细胞相互作用以及药物发现和个性化医疗提供了多功能平台（图3）。此外，肝类器官的出现解决了细胞功能性、存活性和融入宿主系统的能力，以及重建手术的兼容性问题，患者来源的类器官最终可以与生物支架和再生生物因子相结合，生成定制的组织工程移植物用于患者治疗（图4）。
图3
图4
肝细胞性类器官：目前已经成功将三种不同类型的肝细胞类器官移植到动物肝脏中。这些系统各具优点和限制，适用于不同的应用，并且在小鼠模型中的研究效果良好，但在人体中的验证尚待证明。
多细胞肝类器官：终末器官损伤可能导致肝脏环境不适宜细胞移植。为了解决这个问题，可尝试异位移植含有胆道系统的多细胞类器官。然而，功能性肝类器官需要胆道引流，这限制了移植地点的选择。目前还没有证据表明具有胆道系统的类器官可以整合到宿主胆道系统中。
胆道类器官：肝内胆管可以通过三种不同来源的类器官进行再生。其中，基于iPSC和成体干细胞的类器官只能进行移植，无法拯救胆道损伤的动物模型。而原代胆管细胞类器官可以在小鼠体内再生胆道系统，且已成功移植到人体肝脏中，用于治疗缺血性胆管病。在大面积损伤情况下，可以通过结合原代胆管细胞类器官和致密胶原支架来制造生物工程人类胆管，以解决胆道闭锁等问题。
类器官用于再生医学的优势与局限性
1.不断发展和应用新技术：随着科技的不断发展，类器官的制备和应用技术也将不断更新和改进，如基因编辑技术、生物打印技术等，这将为再生肝病学的发展带来更多的机遇和挑战。
2.加强跨学科合作：类器官的制备和应用需要多个学科的交叉和合作，如细胞生物学、生物医学工程、肝脏病学等，加强跨学科合作将有助于推动再生肝病学的发展和应用。
3.将类器官转化为真正的再生医学治疗：目前类器官主要应用于疾病模型和药物筛选等方面，未来的发展方向是将其转化为真正的再生医学治疗，如肝细胞移植、肝再生等，这将为肝病患者带来更多的治疗选择和希望。
4.推广和应用：随着类器官技术的不断成熟和完善，其在临床应用中的推广和应用也将逐步扩大，为肝病患者提供更加个性化和有效的治疗方案。
总之，类器官与再生肝病学的未来展望充满希望，需要不断地进行技术创新和研究，加强跨学科合作，推动其在临床应用中的转化和应用，从而为肝病患者带来更多的治疗选择和希望。同时，需要加强规范化管理和严格的安全性评估，确保类器官在临床应用中的安全性和有效性。
肝脏类器官的出现不仅为人类生理学和病理生理学提供了新的见解，而且为再生医学和转化应用提供了优秀的途径。本综述回顾了肝脏再生医学的发展历史，并探讨了肝脏细胞类器官的基本原理及其优缺点。在未来，研究人员应该广泛合作，以应对技术变革并实现真正的再生治疗。相信再生肝病学将得到广泛应用，并最终引领肝病患者治疗方式的变革。
来源：类器官学社