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肝细胞再生研究最新进展

来源:本站原创 2017-08-28 21:17

2017年8月28日/生物谷BIOON/---肝脏是身体内以代谢功能为主的一个器官,并在身体里面起着去氧化、储存肝糖、分泌性蛋白质的合成等作用。肝脏也制造消化系统中之胆汁。

在人体的所有器官中,肝脏的再生能力最为强大。至于肝脏如何进行自我修复及再生,专家学者们尚未得到统一的结果。一项新进研究揭示了一种不明细胞对肝脏再生具有重要意义,它可以使肝脏组织得以再生却不会形成肿瘤。这些新发现的细胞也称为肝细胞,但是它的功能比普通的肝细胞更强大。在既往研究中,研究人员认为肝脏中的一类成体干细胞即卵圆细胞在肝脏的再生功能中发挥着重要作用,但是后续研究证实卵圆细胞最后分化为胆管细胞。基于此,小编针对肝细胞再生研究近年来取得的进展进行一番盘点,以飨读者。

1.Nature:重大突破!发现肝脏再生新机制
doi:10.1038/nature23015

在一项新的研究中,来自英国爱丁堡大学、美国麻省理工学院和俄罗斯斯科尔科沃科技学院的研究人员首次证实胆管上皮细胞(cholangiocyte, epithelial bile duct cell)在肝脏再生中的作用。这一结果对再生医学和抵抗肝脏疾病是高度有前景的。相关研究结果发表在2017年7月20日的Nature期刊上,论文标题为“Cholangiocytes act as facultative liver stem cells during impaired hepatocyte regeneration”。

肝脏是人体能够再生的少数器官之一。当因创伤或慢性疾病而导致肝脏损伤时,主要的肝细胞,即负责所有基础的肝脏功能的肝实质细胞(hepatocyte),通过分裂产生新的肝实质细胞而能够再生。对执业医师和科学家们而言,激活肝脏再生是一个急迫的问题,但是这种机制的细节和其他的肝细胞是否参与新的肝实质细胞形成过程仍然是不清楚的。

这些研究人员利用转基因小鼠作为测试对象;为此,他们成功地模拟人体中常见的肝脏损伤。这项实验是在两个独立的转基因模式小鼠中开展的,在它们体内,肝实质细胞发生分裂的能力被有意地降低以便评估其他的肝细胞对再生的贡献。结果表明胆管上皮细胞参与肝实质细胞再生。此外,他们指出源自胆管上皮细胞的肝实质细胞的再生潜力可能高于正常的肝实质细胞。

论文共同作者、斯科尔科沃科技学院转化医学中心副主任Yuri Kotelevtsev教授说:“一年多一点以前,我遇到了来自爱丁堡大学的同事,一起创建联合科研项目。我告诉了他们在我们在斯科尔科沃科技学院的研究中心(在Victor Koteliansky教授指导下)里,我们如何成功地调整肝脏基因敲降(gene knockdown)技术。这种技术存在了大约7年的时间,但是它在体内的应用需要很高的实验水平,而且仍然仅在几个学术验室中可以获得。刚好Stuart Forbes教授的实验室正在解决哪种基因敲降能够快速地证实胆管上皮细胞在肝脏再生中发挥关键作用的假设的过程中存在的一个问题。斯科尔科沃科技学院和麻省理工学院的贡献是我们构建和提供携带针对β1-整合素编码基因的siRNA的脂质纳米颗粒,这种siRNA在模式小鼠体内阻断肝实质细胞中的这个基因的表达,而且随后对模式小鼠表型的观察结果允许鉴定出参与肝脏再生的胆管上皮细胞。当前,Forbes教授领导的苏格兰再生医学中心正开始开展研究,旨在分离出自体胆管上皮细胞和将它们移植到到肝硬化患者体内。我们正在继续与Forbes教授实验室开展合作。我们测试新的靶基因,阻断它们可能阻止与肝纤维化和随后的肝硬化相关联的过程或者让这些过程稳定化。”

2.J. Breath Res.:首次利用臭鸡蛋气体将人牙髓干细胞转化为肝细胞
doi:10.1088/1752-7155/6/1/017103


日本科学家发现造成口臭(halitosis)的气味难闻的化合物非常适合用于收集从人牙髓(dental pulp)中提取的干细胞。2012年2月27日,这些研究结果发表在Journal of Breath Research期刊上。

在这项研究中,研究人员证实硫化氢(hydrogen sulphide, H2S)能够增加成体干细胞分化为肝细胞的能力,从而提高成体干细胞作为未来肝细胞治疗的一种可靠来源的名声。这是第一次发现肝细胞能够产自人牙髓,而且更让人印象深刻的是,它们能够大量生产同时保持高纯度。

在这项研究中,Ken Yaegaki博士和来自日本齿科大学的同事们利用来自牙髓---牙齿的中央部分,由结缔组织和细胞组成---的干细胞进行研究,其中这些干细胞是从正在接受常规拔牙的牙科患者的牙齿中获得的。

一旦干细胞被制备得足够多,它们就被分成两个批次(测试组和对照组)并且测试组细胞在H2S培养箱中孵育。在3天、6天和9天之后,它们分别被收集下来进行分析以便观察这些细胞是否成功地转化为肝细胞。

为了测试这些干细胞在H2S影响下是否能够成功地分化为肝细胞,研究人员进行一系列测试来研究干细胞分化产生的细胞是否拥有肝细胞的典型特征。除了在显微镜下的物理观察之外,研究人员研究了它们储存糖原的能力,并记录了细胞中尿素含量。

Yaegaki博士继续说道,“直到现在,没有人发明出再生大量肝细胞用于人类移植的实验方法。相比于利用胎牛血清生产肝细胞的传统方法,我们的方法产率高,而且更为重要的是,它也更安全。”

3.Cell子刊:新方法纯化出史上最纯的肝细胞群体
doi:10.1016/j.stemcr.2016.07.016

在一项新的研究中,来自美国南卡罗莱纳医科大学和威斯康星医学院的研究人员发现一种更好的方法纯化利用诱导性多能干细胞(ipsC)制造出的肝细胞。这一发现将有助研究肝脏疾病。相关研究结果于2016年8月25日在线发表在Stem Cell Reports期刊上,论文标题为“Mapping the Cell-Surface N-Glycoproteome of Human Hepatocytes Reveals Markers for Selecting a Homogeneous Population of ipsC-Derived Hepatocytes”。

传统上抗体被用来识别细胞表面上的成熟特征和纯化相似的细胞。这种方法在干细胞研究中是至关重要的,但是可购买的识别成熟肝细胞的抗体比较少,而且往往识别许多不同类型的细胞。在混合细胞群体中的很多细胞类型具有不同的特征,从而可能会遮盖住潜在的致病性的基因突变。

为了不依赖抗体,论文通信作者、南卡罗莱纳医科大学发育生物学家Stephen A. Duncan博士和同事们采取一种被称作化学蛋白质组细胞表面捕获(chemoproteomic cell surface capture, CSC)的新技术。标记的细胞要比未标记的细胞具有更加类似的成熟肝细胞特征。未发生分化的多能性干细胞被排除在标记的细胞群体之中。

Duncan提醒道,迄今为止,移植利用ipsC产生的干细胞还未准备转化到诊所临床实践当中。但是如今,这种分选同质的肝细胞的技术能够被用来在细胞培养皿中成功地和准确地建立疾病模型和研究疾病。

4.Cell Stem Cell:中国科学家首次将胃细胞转变成肝细胞和胰腺细胞!
doi:10.1016/j.stem.2016.06.006


军事医学科学院野战输血研究所获悉,由该所王韫芳研究员、裴雪涛研究员带领团队取得了一项革命性研究成果——他们利用小分子化合物技术,成功将人体胃上皮细胞转变成多种潜能的内胚层祖细胞,后者可以被诱导分化为成熟的肝细胞、胰腺细胞和肠道上皮细胞等,为将来利用干细胞技术治疗终末期肝病、糖尿病等带来新的希望。

2016年7月21日,国际著名学术期刊《细胞—干细胞》杂志在线发表了这一重要成果,覃金华、王术勇、张文成三位博士是该论文的共同第一作者。

5.Stem Cells:科学家找到维持肝脏细胞更新的神秘来源
doi:10.1002/stem.2457


近日,来自日本的科学家们发现成熟的肝组织中存在一类肝脏祖细胞是组织维持和损伤修复所需新生肝细胞的重要来源。该研究对肝损伤治疗以及再生医学研究都有一定意义。

研究人员发现一类与双能肝脏干细胞/祖细胞(LPC)不同的肝脏祖细胞,这类细胞能够持续存在于小鼠肝脏,可能有助于组织的维持。一般来说科学家们分离EpCAM+细胞作为LPC,而肝脏祖细胞是CD45-TER119-CD31-EpCAM-ICAM-1+细胞群体中所富含的一部分细胞,这个复杂的细胞群体分离自妊娠晚期胎鼠和出生后胎鼠的肝脏。研究人员发现ICAM-1+肝脏祖细胞在出生后四周大量存在,虽然随着年龄增长,这部分细胞的数目会逐渐下降,ICAM-1+肝脏祖细胞仍然会存在于肝脏中。

研究人员从1周和20周之间的小鼠肝脏中分离出ICAM+1细胞,建立了肝脏祖细胞克隆,他们发现这些克隆能够高效地分化为成熟肝细胞,分化成熟的细胞能够分泌白蛋白,清除铵离子,储存糖原,并表现出细胞色素P450活性。即使进行长期培养,这些克隆仍然保持了分化形成成熟肝细胞的能力。当把ICAM-1+克隆移植到肝损伤和肝切除裸鼠模型体内,供体细胞能够进入肝板,并表达肝细胞细胞核因子4α,C/EBPα以及氨基甲酰磷酸合成酶Ι等标志性分子。

除此之外,经过短期的抑瘤素Μ处理,ICAM-1+克隆还能够高效促进受体小鼠肝组织再生。

6.Cell Stem Cell:首次在肝脏内将导致肝病的细胞转化为功能性的肝细胞
doi:10.1016/j.stem.2016.05.005

干细胞研究取得的进展使得在实验室培养皿中能够将病人的皮肤细胞转化为心脏细胞、肾脏细胞和肝细胞等,这就给科学家们提供希望:有朝一日,这些细胞能够替换器官移植用于治疗器官衰竭病人。但是将这些细胞成功地移植到病人的功能衰竭的器官中仍然是一个重要的临床挑战。

如今,来自美国加州大学旧金山分校和德国海德堡大学医院的研究人员在小鼠体内证实在肝脏内产生健康的新的肝细胞是可能的,这就使得细胞移植是不必要的。更重要的是,他们是将肝脏内导致肝病的细胞(即肌成纤维细胞)转化为健康的新的肝细胞,因而同时降低肝脏损伤和改善肝脏功能。论文通信作者、加州大学旧金山分校外科教授Holger Willenbring说,这一方法采用一种已在利用肝脏靶向基因疗法治疗病人中获得早期验证的病毒基因运送技术,这提示着它可能很容易进行临床转化,用于治疗肝病患者。相关研究结果发表在2016年6月2日那期Cell Stem Cell期刊上,论文标题为“In Vivo Hepatic Reprogramming of Myofibroblasts with AAV Vectors as a Therapeutic Strategy for Liver Fibrosis”。

之前的研究已鉴定出基因调节蛋白混合物能够将其他类型的细胞转化为肝细胞,但是研究人员需要一种方法将这些指令运送到肌成纤维细胞中。在多年的研究后,研究人员鉴定出一种腺相关病毒(adeno-associated virus, AAV)亚型AAV6能够特异地感染肌成纤维细胞。因此,研究人员着重关注AAV,这是因为已证实它在早前的人基因疗法临床试验中是安全的和有效的。

研究人员说,在培养皿中,这种病毒方法也高效地将人肌成纤维细胞转化为功能性的肝细胞,但是还需要开展更多研究以便让这种方法也能用于病人体内。特别地,Willenbring实验室正在努力将这种方法中所使用的混合物包装到单个病毒中,以便降低潜在的副作用和简化临床开发。该实验室也正在努力将让AAV6病毒对肌成纤维细胞的特异性变得更强,这是因为在当前的这项研究中,该病毒也能够感染肌细胞和免疫系统中的一些细胞,不过不能将它们转化为肝细胞,而且也不会明显地影响它们的功能。

7.Science子刊:基因疗法新突破!在体内选择性扩增经过基因修饰的肝细胞
doi:10.1126/scitranslmed.aad8166


基因疗法为治疗遗传病提供希望,但是它的效率经常太低而没有治疗价值。如今,在一项新的研究中,来自美国俄勒冈健康与科学大学、斯坦福大学医学院和贝勒医学院的研究人员证实经基因修饰后对一种有毒药物产生抵抗力的肝细胞能够在活的小鼠体内选择性增殖,从而高达1000倍地增加转基因表达。这种新方法也可能用于骨髓、肠道、皮肤或肾脏组织中。相关研究结果发表在2016年6月8日那期Science Translational Medicine期刊上,论文标题为“A universal system to select gene-modified hepatocytes in vivo”。论文第一作者是来自俄勒冈健康与科学大学的Sean Nygaard。

在此之前,科学家们利用重组腺相关病毒(recombinant adeno-associated virus, rAAV)载体治疗血友病等肝脏疾病,取得一定的成功。然而,低剂量的病毒载体通常并不导致高效转导,高剂量病毒载体能够产生免疫反应,而且可能激活癌基因,这使得它成为一种有风险的治疗方案。对已测试的一些疾病而言,经过基因修饰的肝细胞凭借它们自己的力量在与有缺陷的肝细胞的竞争中胜出,但是对大多数肝脏疾病而言,情况并不是这样的。

为了解决这些问题,Nygaard和同事们发现一种方法在小鼠体内选择地扩增经过基因修饰的肝细胞。首先,他们构建出一种rAAV载体来运送旨在增加人凝血因子IV表达的转基因。他们将一种让肝细胞抵抗药物CEHPOBA的短发夹RNA(shRNA)插入到这种病毒载体中,其中shRNA抑制一种参与酪氨酸分解代谢中的关键酶--- 4-羟苯基丙酮酸双加氧酶(4-OH-phenylpyruvate dioxygenase),CEHPOBA是一种小分子的延胡索酰乙酰乙酸水解酶(fumarylacetoacetate hydrolase)抑制剂。他们然后利用CEHPOBA或生理盐水(作为对照)治疗这些小鼠。他们报道,相比于对照小鼠,接受这种药物治疗的那些小鼠10~1000倍地增加它们体内的转基因表达。

8.Nature:终于找到你!肝脏干细胞来源揭秘
doi:10.1038/nature15201; doi:10.1038/nature14863

Nature杂志最新在线的一篇研究中,Howard Hughes医学研究所(HHMI)的科学家确定了能够分化为功能性肝细胞的干细胞。这项研究解开了关于肝脏不断新生的细胞到底从何而来的老谜团。研究的通讯作者,斯坦福大学HHMI研究员Roel Nusse博士说:“我们解决了一个很老的问题.我们发现,就如同其他需要补充丢失细胞的组织,肝脏干细胞也会增殖和产生成熟细胞,甚至在没有肝损伤或疾病的情况下。”

干细胞,能在补充保持自己数量的同时发展成高度分化的细胞,为皮肤,血液等组织在随着时间丢失细胞的时候提供新的细胞。但是,在肝脏中还没有发现过干细胞的存在。一些科学家推测,成熟的肝细胞可能通过分裂保持其数量。但Nusse博士说,肝脏成熟的细胞已经高度分化,它们可能已经失去了分裂能力。“分化过的肝细胞染色体已经放大,”他解释说,“这表明这些细胞的每一条染色体有超过两个副本。这保证细胞能产生更多的蛋白质,不过确实会损害了它们的分裂能力。”

Nusse实验室专注于一个称为Wnts的蛋白质家庭,他们是干细胞命运的关键调节子。通过寻找和跟踪各种组织的干细胞,他们已经开发出细胞响应Wnt信号后会发出荧光信号的小鼠。几年前,他们决定用这种工程改造的小鼠来搜索肝脏中的干细胞。研究人员通过搜索肝脏中的荧光标记,他们最终发现位于肝脏的中央静脉周围的干细胞。在锁定这些细胞后,研究人员继续跟踪了荧光标记的细胞的行为。这些细胞随着时间的推移迅速分裂,不断稳定地补充自己的数量。这个推测正确的可能性在于,不像成熟肝细胞,标记的细胞每个染色体只有两个拷贝。在随后一年中,科研人员发现这些标记的细胞发生改变,出现分化的细胞功能和成熟肝细胞扩增的基因组。这使得它们彻底符合了干细胞的定义。

正如所料,肝干细胞需要Wnt信号以保持它们干细胞的身份。Nusse小组发现,正是中央静脉内的血管内皮细胞释放的Wnt分子进入组织。如果干细胞迁移后跑出了Wnt信号的覆盖范围,它们便迅速失去了分裂新干细胞的能力,开始发展成成熟的肝细胞。Nusse博士表示,这是已知的其他组织内干细胞行为是一致的。

9.eLife:新研究揭示干细胞定向分化的机制
doi:10.7554/eLife.00806


哥本哈根大学的研究者最近在elife杂志上发表的文章揭开了早期胚胎细胞和胚胎干细胞特异性分化为胰细胞和肝细胞的机制。

本项研究的负责人,Brickman教授说,这项新的发现帮助人们对于细胞发育的生理环境的重要性有了更深入的了解,使得我们在实验室中能够建立更优化的环境来诱导干细胞和前体细胞分化成特定的成熟细胞。

处在发育过程中的细胞持续移动,在移动过程中它们组织并建立起类似于布满道路的小城市一般的生理环境,这项新的研究成果揭示了两个重要特性,首先,研究者发现胚胎细胞从其他细胞那里接收信息来指导它们组织和建立生长通路,从而使这些胚胎细胞朝着早期胰细胞和肝细胞方向发育。其次,在这项报道中研究者们成功地将这些发育通路从发育中的干细胞中分离出来并进行冻存。在随后进行的另一项独立实验中,研究者使用这些经冻存复苏的生长通路来提高重要细胞生长信号缺失环境下细胞的正常发育和分化。

10.Nature:全球诞生首例立体肝脏 干细胞研究再现突破
doi:10.1038/nature.2013.13324


对于再生医疗的探索再现新进展。日本媒体报道称,该国横滨市立大学教授谷口英树等人组成的研究小组使用诱导多能干细胞(iPS细胞)成功制出能在老鼠体内发挥功能的小肝脏,为世界首例用iPS细胞培养的立体肝脏。这对以ips等为主体的干细胞研究发展有着重要意义。

这一成果被刊登在英国科学杂志《自然》上,在此之前,现有的研究水平已经能够用ips细胞培养出肝细胞,但难以制出可在人体内发挥功能的立体结构肝脏。

ips细胞是诱导多功能干细胞的简称,也就是体细胞经诱导因子处理后转化而成的干细胞,它能发育成各种组织和器官。

在iPS细胞的研究方面,日本一直予以重点关照。日本厚生劳动省的审查委员会在6月26日批准了利用此类细胞开展视网膜再生的临床研究,成为世界上首个iPS细胞临床试验。这也是在诞生六年后,ips细胞向实用化所迈出里程碑意义的一步。

11.Cell:肝脏再生能力为何如此强大?终于找到原因了!
doi:10.1016/j.cell.2015.07.026

加利福尼亚大学圣地亚哥分校医学院的研究人员发现,“混合肝细胞”是肝脏具有强大再生功能的根本原因。他们将研究结果发表在Cell。

将小鼠暴露于四氯化碳这种有毒环境下之后,研究人员密切关注着肝脏的修复过程。在肝脏的自我修复过程中,他们在肝门处发现了混合肝细胞。在肝脏出现慢性损伤之后,这些肝细胞广泛进行增殖,对肝脏进行修复。由于这些细胞与正常的肝细胞相似,但表达出的基因为低水平的胆管细胞特异性基因,研究人员将它们称为是“混合肝细胞(Hybrid hepatocytes,HybHP )”。 研究人员对三组肝癌小鼠(各组小鼠患肝癌的类型不同)进行了评估和相应检查,他们发现,并没有证据证明混合肝细胞可以导致肝癌的出现和恶化。因此研究人员认为,混合肝细胞并不会引起肝病患者出现肝癌

尽管大多数的研究以小鼠为实验对象进行,研究人员希望在人体中也可以找到人类的肝脏混合肝细胞,且人的混合肝细胞与小鼠的混合肝细胞的功能相似,都可以促使肝脏组织的再生和自我修复。我们相信,会有那么一天,对于肝衰竭的患者,不需肝移植,只需细胞移植便可拯救患者生命。

12.中科院阐明人类胚胎干细胞诱导为肝细胞转化机制
doi:10.1038/ncomms15166


记者从中国科学院获悉,该院广州生物医药与健康研究院裴端卿和舒晓东团队关于调控人胚胎干细胞向肝系细胞分化的机理研究,北京时间今天(5月3日)下午在线发表于国际顶级学术期刊《自然-通讯》杂志。

早在2010年,裴端卿团队就发现,细胞“逆转”过程是由间充质细胞状态转变到上皮细胞状态来驱动的,该过程被称为“MET”;随后科研人员发现在间充质转变到上皮细胞状态前还存在一个“上皮向间充质细胞”状态转换过程,该过程被称为“EMT”,并证明这样的多次转换有利于提高重编程效率。

成熟肝脏细胞是典型的上皮细胞,可由其同属上皮细胞的人胚胎干细胞通过体外定向分化而获得。在上述研究中,科研人员发现这两种上皮细胞之间的命运转换需要经过一个间充质状态的中间阶段。在胚胎干细胞分化为定型内胚层阶段发生了EMT过程,而随后进一步的肝系分化成熟过程伴随着MET过程。

随后,科研人员初步阐明了调控上述细胞命运转换的分子机制:Activin A诱导人胚胎干细胞分泌EMT的诱导信号,这一信号激活EMT转录因子,从而激活胚胎干细胞的肝系分化过程。(生物谷 Bioon.com)

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