Nat Rev Gastroenterol Hepatol: 胎儿肝脏发育及其对肝病发病机制的影响

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背景：

    肝脏的代谢、消化和稳态作用依赖于肝细胞系的适当相互作用和组织。这些肝细胞谱系以时空控制的方式从它们各自的早期器官发生的祖细胞衍生而来，从而形成了肝脏的特化和多样化的微结构。在过去10年中，基因组学、谱系追踪和显微镜检查的进展导致了一些开创性发现，这些发现阐明了肝细胞谱系等级。特别是，单细胞基因组学使研究人员能够探索肝脏内的多样性，特别是在发育早期，当时大量基因组学的应用由于器官规模小，导致细胞数量少而受到限制。这些发现极大地促进了我们对细胞分化轨迹、细胞命运决定、细胞谱系可塑性和肝脏形成的基础信号微环境的理解。此外，它们还为肝脏疾病和癌症的发病机制提供了见解，其中发育过程参与了疾病的发生和再生。未来的工作将集中于转化这些知识，以优化肝脏发育的体外模型，并微调治疗肝病的再生医学策略。

简介：

2023年5月19日，来自加拿大英属哥伦比亚大学细胞与发育生物学项目的Pamela A. Hoodless教授课题组在Nat Rev Gastroenterol Hepatol（IF: 73.0）杂志上发表题为“Fetal liver development and implications for liver disease pathogenesis”的文章^[1]。在这篇文章中，作者讨论了肝实质和非实质细胞的出现，在肝脏发育的体外模型中取得的进展，并比较了发育过程和病理过程。

主要结果：

肝脏的发育。

实质发育和形态发生。

肝细胞是肝脏的主要功能细胞类型，具有多种合成、代谢和分泌功能。这些细胞在哺乳动物中呈上皮索状排列并极化，在基底面对窦状毛细血管，在顶端面对胆管。这些小管流入胆管，胆管内衬另一种成人肝实质细胞:胆管细胞。胆管细胞将胆汁酸和胆盐运输到胆囊储存并随后分泌到十二指肠以促进脂质消化。肝细胞和胆管细胞是在器官发生的早期由内胚层发育而来的双潜能祖细胞，即肝母细胞。

非实质细胞的多样性。

除实质细胞外，肝脏还包含提供必要支持和稳态功能的各种非实质细胞群。这些细胞包括特化的内皮细胞、间充质细胞、免疫细胞和神经元。过去十年的研究强调了这些细胞群的重要性，并揭示了它们在肝发生过程中与肝实质祖细胞的协调发育。

图1：小鼠肝脏的组装

肝发生的单细胞分析。

肝脏细胞的多样性以及器官的结构和空间复杂性阻碍了对肝脏细胞异质性的了解。在成年小鼠和人类中，单细胞基因组学揭示了实质群体和非实质群体以及肝脏常驻免疫细胞内稳态过程中的多样性。具体而言，这些研究揭示了实质细胞和非实质细胞谱系的罕见亚群，包括为类器官生成准备的肝细胞，并确定了肝脏常驻免疫细胞的异质性和间充质多样性。此外，单细胞基因组学已经能够确定纤维化、肝癌和再生过程中细胞特性和组成的变化。空间转录组学揭示了肝脏中基因表达的空间差异(肝分区的结果)在肝实质、血管和免疫人群之间。然而，包括分辨率限制在内的技术限制阻碍了在单细胞分辨率下探索表达的空间差异的能力。

单细胞基因组学已使鉴定多样性和探索分化轨迹成为可能，而分化轨迹是肝细胞谱系在发育过程中分化和成熟的基础。我们对肝发生的理解取得了长足的进步，包括早期肝脏的分化、肝母细胞的迁移、肝芽的形成以及肝细胞和胆管细胞的成熟。

图2：小鼠肝的三维组织

肝脏发育的体外再现。

获得和处理原始组织(特别是人类胚胎)面临一些挑战，这推动了更适合研究发育过程的体外系统的产生。这些方法可分为体外培养、诱导多能或胚胎干细胞分化(iPSC/ESC)和胚胎肝细胞类器官的培养。虽然一些研究人员通过过表达或转分化产生了成熟的肝细胞系，但我们专注于可作为研究发育系统的体外方案。

离体和外植体系统。

对肝发育机制的早期研究通常利用胚胎培养或外植体系统来评估细胞谱系分化中因子的作用。虽然胚胎或肝脏通常只能培养几天，但离体技术已经揭示了肝脏特化背后的许多分子机制，尤其是肝脏生长和分化所需的细胞-细胞间通讯。

干细胞的肝分化。

人类iPSCs或ESCs的分化是研究人类发育的一个有价值的工具，因为人类胚胎组织是稀缺的，而且其使用在伦理上是复杂的。分化方案的目的是再现细胞在体内发育过程中接收到的信号。这包括在培养基中添加信号成分和调节因子，以及将分化的PSCs与间充质细胞和内皮细胞共培养，以支持发育。

图3：肝细胞谱系的胚胎来源

作为肝脏发育模型的类器官。

类器官是利用人PSC来源的细胞或原代细胞作为来源，通过重建体内发育龛来创建肝细胞的较成功策略之一。分离的人胚胎和小鼠胚胎肝脏，分别培养为类器官，可以在体外成熟。此外，类器官可用于扩增原代细胞，而无需进一步成熟，从而使胚胎细胞类型的体外研究成为可能。作为原代细胞的替代，完全人PSC来源的类肝器官是可行的，通过将体外2D培养的细胞转移到3D培养系统中并分化为肝样类器官(HLOs)。这些类器官显示肝细胞和胆管表型的混合物。

图4：肝细胞起源于损伤和疾病

发育和疾病之间的相似之处。

发育基因表达标签的再激活、肝细胞的去分化和增殖增加是包括肝硬化和肝癌在内的肝脏疾病的共同特征。在肝再生过程中，发育通路可以上调，使细胞在损伤后重新填充肝脏。

肝实质细胞。

肝实质细胞损伤后的再生是一个复杂多样的过程，取决于损伤的性质和受累的细胞系。在过去的几十年里，肝细胞是通过自我更新、胆管细胞转分化还是肝干细胞(包括卵圆细胞)分化而再生一直是许多研究和争议的主题。使用不同的损伤模型、不同的细胞类型定义、用于定义表型的基因表达模式有限、不一致的取样时间点、不同的模型动物和不同的细胞群标记策略，这些因素使研究结果相互矛盾的比较受到干扰。

非实质细胞。

肝病的一个共同特征是纤维化，其特征是存在增殖的、可收缩的分泌胶原的肌成纤维细胞、毛细血管化内皮细胞和活化的免疫细胞。在轻度和重度慢性肝损伤中，肝星状细胞是肌成纤维细胞的主要来源，少部分来自门静脉周围成纤维细胞。尽管多年来一直存在争议，但谱系追踪研究已证明肝实质细胞通过EMT促进肌成纤维细胞的观点是错误的。有人将实质细胞对HSC和肌成纤维细胞群体做出重大贡献这一观点作为纤维化和发育中均发生的过程进行了讨论，这提示疾病和发育之间存在平行关系，但这一观点在两种情况下均不成立。

图5：驻留和致病成人肝细胞的分化潜力

结论和展望：

在过去的几年中，我们对肝祖细胞的分化和配置的理解取得了很大的进展。完整的细胞谱系结构正在形成，但仍缺乏细节。许多与肝谱系发育相关的发现是利用混合的异质细胞组获得的，产生了平均效应，从而掩盖了复杂性。单细胞基因组学为探索这种多样性提供了令人兴奋的途径，并且已经在肝形成的几个关键发育点上应用。这些分析揭示了罕见和多样化的细胞群(包括短暂的多能细胞状态)，以及细胞特异性和成熟的机制，并指导了肝实质和非实质细胞群的体外培养方法。

肝脏的高再生潜能使得区分祖细胞、终末分化的体细胞、增殖细胞和癌细胞具有挑战性。单细胞基因组学能够更全面地评估这些细胞类型，包括它们的发育起源、细胞谱系关系、分化潜能和致癌潜能。进一步的研究将旨在通过比较不同研究中发现的细胞类型，以及整合空间转录组学来保留空间信息，从而巩固来自不同组的研究结果。

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37208503/

参考文献：

[1] Lotto J, Stephan TL, Hoodless PA. Fetal liver development and implications for liver disease pathogenesis. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2023 May 19. doi: 10.1038/s41575-023-00775-2. Epub ahead of print. PMID: 37208503.

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