Nature攻克难题：新一代由两种细胞类型组成的肝类器官

时间：2025年5月31日

来源：Nature

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研究人员开发了一种新型多细胞肝脏组装体（assembloids）系统，整合成年肝细胞（hepatocytes）、胆管细胞（cholangiocytes）和间充质细胞，成功模拟了门静脉区（periportal region）的复杂结构和功能。该系统不仅能再现胆汁从胆小管（bile canaliculi）向胆管的生理性引流过程，还可通过调控间充质细胞比例诱导纤维化表型，为研究胆汁淤积性损伤、胆管纤维化（biliary fibrosis）及细胞自主机制提供了全功能一体化模型。

肝脏具有独特的结构，特别是在单个细胞水平上。肝细胞，主要的肝细胞，将胆汁释放到称为胆管的微小通道中，胆管流入肝脏门静脉周围区域的胆管。当这个胆汁引流系统被破坏时，它会导致肝脏损伤和疾病。

由于这种独特的结构，肝脏疾病的研究一直受到缺乏实验室培养模型的限制，因为缺乏准确显示疾病进展的模型，因为在培养皿中重建肝脏的复杂结构和细胞相互作用是具有挑战性的。现有的组织源性肝类器官模型仅由一种细胞类型组成，无法复制复杂的细胞组成和组织结构，如肝脏门静脉周围区域。

德国德累斯顿马克斯普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所（MPI-CBG）主任Meritxell Huch的研究小组在2021年的一项研究中开始解决这个问题，他们开发了一种由两种细胞类型组成的肝类器官，胆管细胞和间充质细胞，可以模拟细胞-细胞相互作用和细胞排列，但仍然缺乏其他门静脉周围细胞类型-最重要的是肝细胞，肝细胞构成了大部分肝脏肿块。

创造下一代类器官模型

在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中，Meritxell Huch小组的研究人员与同样是MPI-CBG主任的Marino Zerial和Heather Harrington小组的同事一起开发了下一代类器官模型，他们将其命名为“periportal assembloid（门静脉周围组装体）”。

这种组合体以成体胆管细胞和肝间充质细胞为特征（与之前的模型一样），但现在还包括肝细胞，肝细胞是成体肝脏的主要功能细胞。这个模型结合了不同的细胞，在一个逐步的过程中组装在一起，就像乐高一样。

“我们的组装体重建肝脏门静脉周围区域，可以模拟胆汁淤积性肝损伤和胆道纤维化的各个方面。我们特别选择了这个区域，因为它在胆汁运输中起着关键作用，当负责胆汁运输的细胞的连接被阻断时，它经常在肝脏疾病中被破坏，”Anna Dowbaj说，她是第一作者之一，Huch小组的博士后研究员，从2025年6月起被任命为慕尼黑工业大学（TUM）的助理教授。

“为了实现我们的目标，我们首先创造了仅由肝细胞组成的类器官，这些肝细胞形成了工作的胆汁通道，并保持了组织中真正肝细胞的关键特征。然后，我们加入胆管细胞和成纤维细胞来构建门静脉周围聚集体。我们的肝脏模型像真正的肝组织一样工作，将胆汁从肝细胞内部移动到胆管中，这表明我们能够复制不同肝细胞之间的相互作用，”Aleksandra Sljukic解释说。

通过控制间充质细胞的数量，研究人员能够引发类似肝纤维化的反应。他们还能够证明，通过混合正常细胞和突变细胞或关闭基因，该模型可以用于研究特定基因在肝病中的作用。

之后利用拓扑数据分析，牛津大学的Heather Harrington和她的同事们对组合体的形状进行了分类，发现随着时间的推移，一些形状与更好的肝功能相关。

研究肝脏疾病，展望未来

Meritxell Huch是这项研究的负责人，他总结道：“我们很兴奋，我们能够创造一个门静脉周围的集合体模型，它首次结合了门静脉间质、胆管细胞和肝细胞。虽然一些细胞仍然缺失，即内皮细胞和免疫细胞，但该模型在组织培养皿的规模上高精度地捕获了肝脏门静脉周围区域的细胞和结构结构。

此外，它的模块化特性使其易于在实验室中进行研究、处理和操作。我们的肝脏组装体是第一个可用于研究胆汁流动、胆管损伤以及不同肝细胞如何导致疾病的一体化实验室模型。

“我们设想我们的门静脉周围肝脏模型最终可以用于研究疾病机制。一旦转化为人体细胞，它可能是一种从用于药物筛选的2D模型转向更生理的3D模型的方法，可以在更生理相关的背景下研究药物的功效和毒性。”

这项研究构建了一种突破性的小鼠肝脏多细胞组装体模型，完美复现了门静脉区（periportal region）特有的"肝细胞-胆管细胞-间充质细胞"三维互作网络。研究者首先培育出具有功能性胆小管（bile canaliculi）网络的肝细胞类器官（organoids），其保留了体内组织的形态特征。当与胆管细胞和门静脉成纤维细胞（portal fibroblasts）组合时，形成的组装体（assembloids）不仅能模拟生理性胆汁引流过程，更令人惊叹的是——仅通过调节间充质细胞数量即可诱导纤维化样状态，无需免疫细胞参与。

通过构建突变型与野生型细胞的嵌合组装体，或进行基因敲除（knockdown）实验，该体系成功验证了其在基因功能研究和细胞自主机制解析方面的强大潜力。这项成果标志着体外研究范式的重大进步，为胆汁淤积性疾病（cholestatic disease）、胆管纤维化（biliary fibrosis）的发病机制探索，以及胆小管形成、胆汁引流等关键生理过程的解析提供了前所未有的"一站式"研究平台。