肝脏类器官作为肝病建模与新疗法开发平台的研究综述

肝脏作为代谢、解毒和免疫调节的核心器官，其疾病(如肝硬化、肝癌、代谢相关脂肪性肝病(MAFLD))给全球健康带来沉重负担。然而，传统研究模型存在显著局限：原代人肝细胞(PHHs)难以体外扩增且功能快速衰退，永生细胞系(如 HepG2)缺乏生理复杂性，动物模型因种属差异难以模拟人类疾病表型。肝脏类器官作为 3D 自组织结构，源于干细胞或原代组织，能重现肝脏的多细胞结构、代谢功能和疾病特征，为克服上述局限提供了理想平台。本综述系统总结肝脏类器官的生成、表征及应用，探讨其在肝病建模、药物开发和再生医学中的潜力与挑战。

来自法国 INSERM / 巴黎萨克雷大学的团队在《Clinics and Research in Hepatology and Gastroenterology》(2025 年，Vol. 49)发表了题为“Hepatic organoids as a platform for liver disease modeling and the development of novel therapies”的综述。

核心内容如下：

肝脏类器官的细胞来源与培养系统：

细胞来源：包括原代人肝细胞(PHHs，保留成熟功能但难扩增)、成体肝干 / 祖细胞(可长期扩增，保留组织特异性)、多能干细胞(PSCs，含 ESC 和 iPSC，可个性化建模但需复杂分化);

培养系统：静态培养(Matrigel 包埋支持自组织，但成分不明)、合成水凝胶(如 PEG 基，可调控刚度和 ECM motif，利于标准化)、动态系统(生物反应器、微流控芯片，模拟血流剪切力，增强成熟度)。

表征方法：

结构表征：上皮极性、胆小管形成、代谢分区(门管区与中央区标志物差异);

分子表征：肝特异性标志物(HNF4α、ALB、CYP450 家族)的表达;

功能表征：白蛋白分泌、尿素合成、药物代谢(CYP450 活性)、胆汁转运等。

主要应用：

疾病建模：遗传性肝病(如血友病 B、α-1 抗胰蛋白酶缺乏症)、代谢性肝病(MAFLD/NASH，模拟脂质蓄积、炎症纤维化)、感染性肝病(乙肝、丙肝病毒感染，研究病毒 - 宿主互作)、肝癌(肿瘤类器官重现遗传和形态特征，用于药敏测试);

药物开发：高通量筛选药物 efficacy 与毒性(如预测药物诱导肝损伤 DILI)，结合器官芯片提升代谢预测准确性;

再生医学：类器官移植修复肝损伤(如胆管结扎模型中恢复胆汁流动)、基因编辑校正遗传缺陷(如血友病 B 的 FIX 表达恢复)、构建生物人工肝(BAL)支持急性肝衰竭患者。

局限性与展望：

局限性：类器官常保留胎儿表型、缺乏功能血管和免疫细胞、培养协议标准化不足、成本高昂、伦理争议(如 ESC 使用);

展望：3D 生物打印精准构建结构、合成基质替代 Matrigel、共培养非实质细胞(肝窦内皮细胞、枯否细胞)增强复杂性、血管化技术提升存活与功能、建立类器官生物库支持大规模研究。

实验结果

图 1：肝脏类器官的多尺度表征

该图展示类器官的综合评估框架。(A)结构层面：共聚焦显微镜显示上皮极性(紧密连接标记)和胆小管网络(SR101 染色);(B)分子层面：转录组、蛋白质组分析肝特异性标志物(ALB、CYP3A4)表达，翻译后修饰分析揭示功能调控;(C)功能层面：分泌组分析(白蛋白、尿素)、药物代谢能力(CYP450 诱导实验)、对炎症刺激(TNF-α)的响应，验证类器官的生理相关性。多尺度方法确保从结构到功能全面评估类器官 fidelity。

图 2：肝脏与肝脏类器官的细胞组成及代谢分区

该图对比体内外的细胞异质性与功能分区。(A)细胞组成：UMAP 分析显示类器官包含肝细胞、胆管细胞、内皮细胞等，类似体内肝脏的细胞多样性;(B)代谢分区：门管区富集糖异生相关功能，中央区以脂质合成、糖酵解为主，类器官通过调控抗坏血酸、胆红素等代谢物可诱导类似分区，门管区标志物(ARG1)与中央区标志物(GS、CYP2E1)的空间分布验证分区特征。

图 3：肝脏类器官用于疾病建模的示意图

该图汇总不同肝病的类器官模型。(A)遗传性肝病：患者来源类器官重现血友病 B(FIX 缺乏)、α-1 抗胰蛋白酶缺乏症(蛋白聚集)的表型;(B)代谢性肝病：脂肪酸处理的类器官出现脂滴蓄积(尼罗红染色)，模拟 MAFLD;(C)感染性肝病：乙肝病毒感染类器官后检测病毒复制与免疫应答;(D)肝癌：肿瘤类器官保留原发肿瘤的基因组特征，用于药敏测试。图示体现类器官对各类肝病的建模能力。

图 4：肝脏类器官在药物开发中的应用

该图展示类器官在药理学研究中的平台价值。(A)高通量筛选(HTS)：96 孔板培养类器官，结合自动化检测评估化合物对肝毒性、纤维化的影响;(B)器官芯片整合：肝芯片模拟血流与多器官交互，提升药物代谢预测准确性(如 Emulate Liver-Chip);(C)个性化医疗：患者来源类器官(PDOs)预测个体药物响应，指导治疗方案。图示连接基础研究与临床转化。

全文总结

本综述系统阐述了肝脏类器官的研究进展，其作为 3D 模型克服了传统模型的局限，通过多样化细胞来源和培养系统，实现了肝特异性结构(胆小管)、分子(ALB、CYP450)和功能(药物代谢)的重现。在应用上，成功建模遗传性、代谢性、感染性肝病及肝癌，推动了药物高通量筛选与再生医学(移植、生物人工肝)的发展。然而，类器官的不成熟性、血管 / 免疫成分缺失、标准化不足等问题仍需解决。未来通过 3D 生物打印、合成基质、共培养及血管化技术，肝脏类器官有望在精准肝病研究与治疗中发挥核心作用。