Sci Adv | 岳蜀华/王韫芳发现肝纤维化的潜在治疗靶点
撰文︱贾 浩，柳 娟，王韫芳，岳蜀华责编︱方以一，王思珍编辑︱王思珍
肝小叶是肝脏的基本结构和功能单元。肝小叶中的细胞分布具有生物学的梯度特征，通常分为中央静脉区、汇管区和中间区，这些分区使得肝脏具有高度的空间异质性和功能复杂性[1]。肝纤维化是一个动态的肝脏受损-修复过程，主要表现为细胞外基质中胶原纤维的分区沉积[2]，是发展至肝硬化和肝癌的前期疾病，目前尚缺乏有效的治疗手段。除了细胞外胶原纤维的沉积，细胞内中性脂质的积累也常见于肝脂肪变性等多种肝脏疾病中[3]。然而，脂质积累在肝纤维化中的确切作用，以及纤维沉积和脂质积累的空间规律是否与疾病演进相关尚不清楚。
2023年1月13日，Science Advances以Research Article的形式发表了北京航空航天大学生物与医学工程学院北京生物医学工程高精尖中心、生物力学与力学生物学教育部重点实验室岳蜀华课题组和北京清华长庚医院肝胆胰中心董家鸿、王韫芳课题组合作的最新研究成果“The role of altered lipid composition and distribution in liver fibrosis revealed by multimodal nonlinear optical microscopy”。该研究意外地发现，在肝纤维化的动态演进中，伴随细胞外基质“变硬”，细胞内的脂质也同样会“变硬”，这一有趣的现象与肝小叶的功能分区紧密相关；而且揭示了可以通过补充不饱和脂肪酸或增强膜流动性来降低脂质硬度，重塑脂质稳态，进而使受损肝细胞免于脂毒性和内质网应激，并改善其细胞生物学特性。该研究增进了目前对脂质稳态和分区在纤维化中所发挥作用的理解，并为肝纤维化的治疗提供了全新的思路。
该研究首先建立了多模态无标记非线性光学显微成像平台，通过结合受激拉曼散射、二次谐波、双光子荧光显微成像技术，以及脂质不饱和度量化分析新方法，在单细胞水平上定量绘制了肝纤维化进程中关键生物分子在组织原位上的空间异质性分布，包括存储在细胞内脂滴中的饱和甘油三酯和不饱和甘油三酯、脂质过氧化产物，以及细胞外胶原纤维（图1）。值得一提的是，该多模态成像平台无需对组织进行任何处理和外源性标记，即可原位定量描绘组织微环境中分子的空间异质性图谱，该非标影像技术有望为肝脏疾病的发生和演进从新的维度提供信息。利用该平台，团队首次报道了肝纤维化过程中脂质稳态的失调，并发现这种失调与肝小叶分区密切相关。具体而言，相比汇管区，不饱和甘油三酯主要在中央静脉区积累。与早期肝纤维化相比，晚期肝纤维化组织中不饱和甘油三酯的积累显著增多、脂质不饱和度降低、脂质过氧化产物增多，同时伴随膜流动性的下降，和脂质硬度的增加（图2）。
图1 多模态无标记非线性分子光学定量显微成像绘制肝纤维化组织中的分子图谱
（图源：Jia H, et al. Sci Adv. 2023）
图2 多模态无标记分子成像技术揭示脂质稳态及分区在肝纤维化演进中的作用
（图源：Jia H, et al. Sci Adv. 2023）
结合转录组学、质谱成像、免疫组化等方法，该研究进一步揭示了肝纤维化脂质稳态失调的生物学机制（图3）。肝细胞的损伤引起内质网应激，进而促进了脂质合成、去饱和，以及积累。在纤维化晚期，去饱和能力已经无法应对大量增加的新合成的饱和脂肪酸，因此造成了脂质不饱和度的降低；同时，在肝脏脂肪酸结合蛋白的协助下，无法进入脂滴的过量饱和脂肪酸被输运到膜上，导致膜脂不饱和度的降低，进而使得膜流动性降低；而前期生成的多不饱和脂肪酸作为主要底物，促成脂质过氧化物的富集，也成为肝纤维化氧化应激的重要特征。反之，上述脂质稳态的失调又促进了内质网应激和细胞死亡，导致恶性循环。
更重要的是，该研究还探索了重塑脂质稳态对肝纤维化治疗的潜力（图3）。策略之一，通过补充不饱和脂肪酸，特别是油酸，可以促进饱和脂肪酸进入脂滴，增加脂质不饱和度，增加膜流动性，降低脂质硬度，最终使细胞免于脂毒性和内质网应激。策略之二，通过抑制饱和脂肪酸向膜输运，可以增加膜流动性，降低脂质硬度，最终改善细胞生物学特性。因此，重塑脂质稳态可以打破肝纤维化中脂质增多变硬和内质网应激之间的恶性循环，挽救肝细胞损伤。
图3 肝纤维化脂质稳态失调的生物学机制以及重塑脂质稳态的治疗潜力
（图源：Jia H, et al. Sci Adv. 2023）
综上，该研究展示了多模态无标记非线性光学成像技术在探究肝脏疾病分子空间异质性方面的潜力，揭示了脂质成分和分布改变在肝纤维化演进中的关键作用，为肝纤维化的治疗提供了新的策略。
原文链接：http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq2937.
贾浩博士与柳娟博士为该论文的共同第一作者，岳蜀华副教授和王韫芳研究员为论文的共同通讯作者。北京航空航天大学为该论文的第一单位。这是一个典型的医工交叉合作研究成果。本项工作得到了清华大学精密仪器系欧阳证教授的帮助，北京市生物医学工程高精尖创新中心和北航生物力学与力生物学教育部重点实验室的平台条件支持，还获得了国家自然科学基金（重大研究计划、国家重大科研仪器研制项目），国家重点研发计划项目，北京市自然科学基金项目，北京医院管理局登峰计划等经费的资助。
通讯作者：岳蜀华（左），王韫芳（右）
（照片提供自：岳蜀华/王韫芳团队）
王韫芳：长期从事干细胞与肝脏再生的基础与转化研究，围绕组织工程基本原理与技术，开展以肝脏为代表的复杂脏器组织工程构建的基础创新与转化研究。近年来，主持国家重点研发项目、国家自然科学基金重点项目等。在Cell Stem Cell，Hepatology，Stem Cells等期刊共发表论文150余篇，参与出版专/译著8部。获授权专利23项（其中4项国际PCT专利），曾获国家科技进步二等奖、“十一五”全军后勤重大科技成果奖、北京市科技进步一等奖等奖励，入选北京市科技新星、“百千万人才工程”国家级人选等。
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参考文献（上下滑动阅读）
[1] Manco R, Itzkovitz S. Liver zonation. J Hepatol. 2021 Feb;74(2):466-468. doi: 10.1016/j.jhep.2020.09.003. Epub 2020 Dec 11.
[2] Kisseleva T, Brenner D. Molecular and cellular mechanisms of liver fibrosis and its regression. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2021 Mar;18(3):151-166. doi: 10.1038/s41575-020-00372-7. Epub 2020 Oct 30.
[3] Gluchowski NL, Becuwe M, Walther TC, Farese RV Jr. Lipid droplets and liver disease: from basic biology to clinical implications. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2017 Jun;14(6):343-355. doi: 10.1038/nrgastro.2017.32. Epub 2017 Apr 21.
本文完