撰文 | 春晓
肝脏是人类的重要器官，是身体的主要代谢枢纽，协调着许多基本功能，包括脂质代谢、外源药物解毒、维生素生物转化、营养物质储存和急性期反应等。尽管肝脏会不断受到许多破坏性损伤，但它通过多种机制维持着自己的稳态再生能力，这对肝细胞不间断地执行重要代谢功能至关重要【1】。因此，了解肝细胞功能在肝脏动态环境中是如何调节的，对于了解慢性肝病中肝细胞功能障碍的机制至关重要。
在体内研究人类细胞功能的策略是小鼠人源化。但是，目前的人源化技术不适合研究人类肝细胞如何与其微环境相互作用以及这种相互作用对功能的影响。综合考虑人类每种肝细胞类型的发育起源和人源化MISTRG6技术的完善【2】，或许小鼠宿主中肝组织的全面人源化是可行的。
2023年8月9日，来自美国耶鲁大学的Richard A. Flavell研究小组在Cell杂志上发表题为Humanized mouse liver reveals endothelial control of essential hepatic metabolic functions的研究论文，这篇文章在小鼠宿主中开发了一种全面的人源化肝组织，该组织包含了大多数人类肝组织的细胞类型，能够模拟人类肝脏的细胞组成、组织结构和功能特性。这种与人类高度相似的小鼠模型能够有效帮助科学家们研究人类特定的肝脏代谢特征和分子途径。
在当前的小鼠人源化系统中，非实质细胞（non-parenchymal cells，NPCs）包括肝窦内皮细胞、肝星状细胞、胆管细胞和门脉成纤维细胞是鼠源的或者非特异性的，但是这些细胞与肝细胞会发生密切的相互作用，对于肝脏形态发生、功能调节和损伤修复、以及肝病纤维化进展都特别重要。
为了可以使肝脏NPCs人源化，作者在2天大的MISTRG6小鼠中肝内移植了人CD34+FLCs、人CD34-FLCs（图1），使其支持广谱的肝脏NPCs人源化，从而能够在小鼠中研究人类肝细胞的功能。
图1. 小鼠宿主的肝脏NPCs人源化技术图
接下来的目标是开发一个系统，通过在同一小鼠宿主中使肝脏的细胞群人源化，从而可以在体内研究人类肝细胞与人类NPCs的功能相互作用。为此，作者利用了公认的肝细胞人源化系统：MISTRG Fah-/-小鼠【3】，在MISTRG Fah-/-小鼠中植入人CD34+FLCs和人肝细胞（图2），成功实现了肝细胞和NPCs在同一小鼠宿主中的共人源化，人源化的小鼠肝组织包括了人免疫细胞、内皮细胞和星状细胞等。小鼠人源化肝脏中细胞类型的组成和基因特征以及相对丰度都与人类肝脏相匹配【4】。
图2. 肝细胞和NPCs在同一小鼠宿主中的共人源化技术图
从组织空间结构上看，不同细胞类型的分布类似于它们在健康人肝脏中的适当位置，小鼠人源化肝脏成功复制了正常人类肝脏的细胞组成和组织结构。人源化小鼠肝脏代谢基本功能例如脂蛋白合成与分泌、胆汁酸的产生等也与人类肝脏一样发挥作用。使用西方饮食（western diet）饲喂人源化小鼠可以诱导出非酒精性脂肪肝的主要组织学特征。小鼠人源化肝脏还可以成功再现驱动人非酒精性脂肪肝发展的复杂病理生理过程，执行重要的人类肝脏特定代谢、稳态调控及肝脏再生和纤维化过程。
为了阐明肝脏的代谢功能调控是以细胞自主的方式调节还是由NPCs控制调节，作者又繁殖了MISTRG Fah-/-（HepHNPCH）小鼠（图3），在人NPCs存在的情况下，肝细胞特异性基因的通路强烈上调（>10倍），主要代谢通路包括脂质代谢、胆固醇代谢和转运等显著富集。而在缺乏人NPCs的情况下，肝细胞的脂质代谢就失去了人肝脏代谢相似的特征。
图3. MISTRG Fah-/-（HepHNPCH）小鼠繁殖路线图
代谢组学结果表明人NPCs以旁分泌的方式控制肝脏的代谢功能，人NPCs是人肝细胞中胆汁酸-甘氨酸结合的主要旁分泌调节因子。从机制上讲，哪些受体在人类肝细胞中表达，并由人类NPCs进一步诱导？作者注意到FZD5（frizzled class receptor 5），一种WNT配体的受体，在人中特异性表达，但在小鼠肝细胞中不表达【5】。人NPCs在肝细胞中诱导FZD5表达，此外，WNT2基因在人源化肝脏中的表达水平也与人类肝脏相当，只有人类而不是小鼠的WNT2增加了人类肝细胞对胆固醇的摄取，人WNT2是体外人肝细胞代谢的主要调节因子，人肝内皮衍生的WNT2通过受体FZD5共同控制人肝细胞胆固醇的摄取、甘氨酸的产生及其与胆汁酸的结合，这是它们在体内调节人肝细胞代谢功能的旁分泌机制。
图4. 小鼠人源化肝组织模拟人肝脏功能
综上所述，这项研究在小鼠宿主中开发了一种综合性和功能性复制人类肝组织的小鼠人源化系统，并利用这项技术对常见的人类肝病进行了建模，证明了人类肝细胞的关键代谢功能不是细胞自主的，揭示了一种人类特异性旁分泌调节机制：人内皮WNT2通过受体FZD5控制人类肝细胞中的胆固醇摄取和胆汁酸结合（图4）。该研究揭示了人类肝脏代谢对来自局部基质微环境的调节信号的依赖性，并在这方面揭示了强大的物种特异性。这项研究建立了一个创新的、重要的技术平台和实验方法用于研究人肝脏中的细胞间相互作用，是研究肝脏代谢微环境、肝脏疾病及治疗靶点的新工具。
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.07.017
制版人：十一
参考文献
1. Andersson, E.R. (2021). In the zone for liver proliferation.Science371, 887–888.
2. Rongvaux, A., Willinger, T., Martinek, J., Strowig, T., Gearty, S.V., Teich- mann, L.L., Saito, Y., Marches, F., Halene, S., Palucka, A.K., et al. (2014). Development and function of human innate immune cells in a hu- manized mouse model.Nat. Biotechnol.32, 364–372.
3. Song,Y.,Shan,L.,Gbyli,R.,Liu,W.,Strowig,T.,Patel,A.,Fu,X.,Wang,X., Xu, M.L., Gao, Y., et al. (2021). Combined liver-cytokine humanization comes to the rescue of circulating human red blood cells.Science371, 1019–1025.
4. MacParland, S.A., Liu, J.C., Ma, X.Z., Innes, B.T., Bartczak, A.M., Gage, B.K., Manuel, J., Khuu, N., Echeverri, J., Linares, I., et al. (2018). Single cell RNA sequencing of human liver reveals distinct intrahepatic macro- phage populations.Nat. Commun.9, 4383.
5. Zeng, G., Awan, F., Otruba, W., Muller, P., Apte, U., Tan, X., Gandhi, C., Demetris, A.J., and Monga, S.P. (2007). Wnt’er in liver: expression of Wnt and frizzled genes in mouse.Hepatology45, 195–204.