人造肝脏！干细胞构建的人源肝脏成功移植到大鼠体内

执笔小黑药时代 2021-12-13

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本文作者：细胞中心白泽转载自：上海细胞治疗工程技术研究中心药时代获得授权转载。

《Cell》子刊发表了一篇通过iPSC（诱导多能干细胞）构建的微型肝脏，成功移植到大鼠体内的研究文章。通过体外诱导iPSC分化成肝细胞、血管上皮细胞、胆管细胞，并移植到去除肝细胞的肝基质骨架上，研究者获得了有血管及胆管分布的人源微型肝脏，并在免疫缺陷大鼠体内表现出了肝脏的功能。

我们的身体好比由细胞所组成的复杂机器。从生命伊始，这台机器就开始了运作，而同样，这台机器也面临着损耗与老化，它的“零件”也需要定期的更换与维护。功能不同的零件，更新迭代的频率也不相同。例如，有些细胞几天或几个月就会更新一次，如皮肤上皮细胞28天、红细胞120天、肝细胞150天；也有一些细胞会伴随我们终身，比如神经、视觉细胞。这表明，作为活的细胞机器，我们的身体有着一定程度的修复能力，但并不是所有伤害都能够依靠自身修复。对于超出我们自身修复能力的伤病，人们想到了将这些受损的“零件”更换掉，来接替“前任”的工作。这种替代最常用的方式，便是移植，而且大多数时候，是异体移植。而就如我们知道的，异体移植也面临着很多问题，比如供体的缺乏，以及移植后紧随而来的排斥反应。干细胞的发现似乎为我们的治疗提供了一条崭新的方向。干细胞是一类有着自我更新以及多向分化能力的细胞，即它可以从一个分化成多个，并可以发育成为其他种类的细胞，听起来似乎可以作为我们"器官零件"生产的“原料”。而人们对干细胞的研究的确多是围绕着“修复”这一主题的。随着研究的深入，人们发现了不同来源的干细胞，分化能力也是不同的。

源自胚胎桑胚期或囊胚期内细胞团的细胞，被称为胚胎干细胞，它们具有发育成我们身体所有细胞的能力，甚至在一定条件下可以发育成为完整的个体。胚胎干细胞也被称为全能干细胞。
造血干细胞、间充质干细胞等则属于多能干细胞，它们能够分化成多种细胞，但不能发育成为完整的个体。
单能干细胞只能分化成一种或几种关系密切的细胞，比如肌肉中的成肌细胞细胞，它是分化潜能最弱的一类干细胞。

此外，还有一类不能不提的干细胞——诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSC），它是干细胞研究史上一座里程碑式的发现。我们机体中的成熟体细胞，为了完成专一的功能，通常失去了增值与分化的能力。而日本科学家山中伸弥却通过引入Oct4、Sox2、c-Myc与Klf4这四种转录子基因，将分化终末的体细胞，逆转成为具有全能性的干细胞。这项研究突破了已往生物学的边界，倒拨了生物的“时钟”，而其获得的具有分化能力的细胞，则被称为诱导多能干细胞，即iPSC。 iPSC在细胞形态、基因表达、表观修饰、以及增殖分化的能力，都与胚胎干细胞类似，但胚胎干细胞自发现初始就面临着伦理的争议，而iPSC一定程度上可以避免这个问题。 iPSC的发现于2006年首次发表在《Cell》杂志，而昨日，《Cell》的子刊《Cell Report》发表了关于由iPSC诱导发育的微型人源肝脏在大鼠身上移植成功。

通过干细胞构建机体的某个组织，甚至器官，而使其具有原有的功能，是一个很大的挑战。例如，通过我们可以通过干细胞体外培养出皮肤组织，用于烧伤患者的皮肤移植，但这些皮肤却缺少一些原有的结构，比如毛囊或汗腺，我们无法诱导细胞做到如此精准的结构分化。而体外肝脏的构造也是如此。肝脏作为体内物质代谢合成的重要器官，组成与功能都较为复杂。以往体外肝脏的构建面临的主要局限都在于：这些肝脏中的血管网，缺少或没有血管上皮细胞，这使得血管下层的胶原组织暴露在外，极易引起血栓以及器官的坏死。因此，在这项研究中，研究者使用iPSC设计并诱导分化出了肝细胞、胆管细胞及血管内皮细胞，并设计了通过转录组以及蛋白表达等体系，来判断这些细胞是否成熟的评估标准。这是因为未成熟肝细胞与成熟肝细胞的功能有很大不同。

随后，人们将这些iPSC衍生的肝细胞、血管内皮细胞及胆管细胞接种在肝脏骨架上，以此来重构肝脏的结构。在这些这些构造的肝脏中，人们发现了血管的覆盖率达到了75%，胆管的覆盖率达到了66%。

最后，这些人源性的微型肝脏被被移植给免疫缺陷的大鼠（为了避免移植排斥反应），并发现这些肝脏表达出了正常肝脏蛋白。这项实验的研究者认为，这项研究可以成为未来器官移植发展的基奠及桥梁。

参考文献：

Kazuki Takeishi. Assembly and Function of a Bioengineered Human Liver for Transplantation Generated Solely from Induced Pluripotent Stem Cells. DOI: 10.1016/j.celrep.2020.107711