条文本
PDF
文摘
瀑样文化已成为另一种体外系统概括组织在培养皿中。小鼠模型和细胞系我们进一步了解肝脏相关的生物学和疾病,他们会复制人类肝脏组织的关键方面,特别是其复杂的结构和代谢功能。肝脏瀑样现在已经建立了多个物种从诱导多能干细胞,胚胎干细胞,hepatoblasts和成人tissue-derived细胞。这些代表一个有前途的除了我们的工具箱来获得更深入地理解这一复杂的器官。在这个角度来看,我们将回顾肝脏瀑样领域的进步,它的局限性和潜在的生物医学应用。
- 肝
- 瀑样
- 个人化药物
- 疾病模型
这是一个开放的分布式依照创作共用署名4.0条Unported (4.0) CC许可,允许他人复制、分配、混音、转换和发展这项工作为任何目的,提供了最初的工作是正确地引用,执照的链接,并表明是否变化。看到的:https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/。
来自Altmetric.com的统计
介绍
瀑样是什么?瀑样好处如何研究?
人体器官的研究开发和患病的状态是受人类无法理解的样品体内动物模型和人类生物学和内在的差异。三维(3 d)细胞培养技术的进步促进了细胞外基质(ECM)的深入了解生物学结合大知识信号通路调控干细胞利基市场和差异化规划使瀑样培养系统的建立。“瀑样”一词曾被指一系列三维培养系统,类似于模拟器官在不同区段。在这里我们订阅瀑样定义由兰开斯特和Knoblich1Huch和古2定义一个瀑样作为体外三维细胞集群源自tissue-resident干/祖细胞,胚胎干细胞(ESCs)或诱导多能干细胞(万能)的自我更新和自我组织的能力,概括的功能组织的起源。瀑样被命名为“2017年的方法”自然方法,3反映出兴奋和承诺的迅速扩张的领域提供新的实验驯良的,器官的生理相关模型发展,人类疾病和治疗应用铺平了道路。
在体内,细胞存在于复杂的微环境,受到众多信号交互,包括可溶性因子,机械线索和ECM。这些交互是关键在建立、维持和调节细胞表型和功能。现在普遍认为细胞培养3 d更像是建筑和功能性质的体内组织与细胞培养与二维(2 d)技术。原因之一是信息的生成或cell-ECM交互在所有三个维度,而在二维单层文化交互局限于水平面。细胞内组织经常暴露于浓度梯度的信号效应分子,营养物质和废物;这是模仿在某种程度上与细胞三维培养系统的中心一个聚合/瀑样少接触培养基的因素。相反,在二维单层细胞暴露于一个统一的集中的因素由于直接接触培养基。建立更多的生理、生化和生物力学微环境使用3 d技术可以影响细胞增殖,分化,形态发生、细胞迁移、mechanoresponses和细胞生存。4治疗方面的应用程序,这可能部分解释的失败2 d细胞培养系统概括看到体内药物筛选结果。5瀑样代表一个有前途的模型系统之间的桥梁2 d文化和体内小鼠/人类模型。瀑样比2 d生理相关的文化模式,同时提供一个简化的模型的体内生物学可以操纵信号通路和执行基因组编辑。
起始瀑样文化需要隔离的干细胞/祖细胞,多能干细胞(已经)或tissue-resident干细胞/祖/分化细胞分离出胚胎阶段或成人组织(图1)。起源的细胞PSC-derived瀑样的ESCs或万能,然后在媒体补充培养生长因子以模拟信号,细胞在胚胎期间接触模式产生特定的组织。
器官发生和瀑样祖孤立的阶段。示意图描述器官形成的关键阶段计时在小鼠和人类。后受精和胚胎的卵裂、囊胚形成的细胞隔离到外层,内细胞团(ICM)。ICM是多功能的,可以孤立的细胞生成胚胎干细胞。下一个关键的发展里程碑是原肠胚形成,过程细胞来源于ICM进行动态的细胞运动和重新排列形成的三个胚芽层:内胚层、中胚层和外胚层。这里我们描绘人类胚囊发育为胚胎盘(注:原肠胚形成小鼠发生作为一个蛋筒)。随着开发的进展,在每个胚层祖细胞成为指定给特定的组织和器官。祖细胞的身份影响胚胎的前后和dorsal-ventral职位。内胚层变得沿着前后轴形成前的前肠(AF),后前肠(PF)、中肠(M)和后肠(H)。说明这里有选择的器官来自不同的内胚层的领域:AF-lungs;PF-liver和胰腺; M—small intestine. The hindgut gives rise to more posterior tissues such as the colon. Organoids can be derived from tissue-resident progenitors isolated at both organogenesis stages and from adult tissues.
在开发期间,一个全能细胞,受精卵,从而形成胚胎外的和胚胎组织,加剧,产生后代,加班越来越谱系限制性。在胚泡阶段外层细胞致力于胚胎外的命运,而细胞内细胞团(ICM)多能,主管形成胚胎的所有组织适当的;正是这些多能ICM细胞分离获得的ESCs。6下一个关键的发展过程是原肠胚形成,细胞来源于ICM进行广泛的细胞混合和形态形成运动由Wnt信号等因素,纤维母细胞生长因子(FGF)和转化生长因子配体激活转录项目和后续分化成三个胚芽层:内胚层、中胚层和外胚层。三祖细胞胚芽层内成为指定形成原始的器官结构,引起所有身体的组织和器官。这些祖细胞的身份是受信号梯度沿着建立前后的形态因子和dorsal-ventral轴发展中胚胎。胃肠道的来源于内胚层的胚芽层,根据内皮祖细胞的位置和他们可能生成与前身份如肺部组织,或更后小肠等身份。这是由于前后梯度信号因素,包括Wnt、视黄酸,骨形成蛋白(BMP)和fgf;失调的梯度可以有极端的后果,例如overactivation Wnt通路引起更多的内皮祖细胞前采用后肠的命运,导致肝脏形成的失败。7同样,的命运已经在文化可以影响发育的信号通路的激活和抑制直接逐步体外分化的祖细胞向特定器官的身份。
瀑样从tissue-resident干/祖细胞生成需要的文化条件,类似于干细胞利基在生理期间组织自我更新或损伤修复,而不是发展过程的重演。除了使用精心创作的文化媒体,瀑样系统需要专门的物理环境中,这通常涉及到培养多能祖(s)在悬架,在气液界面或嵌入在一个合适的ECM如人工基底膜。在这些条件下,多能祖(s)遵循内在发展或稳态/维修项目增殖和self-organise成3 d瀑样结构。
瀑样的历史
瀑样领域的飞速发展在过去的十年是建立在数十年的努力获得更大的洞察力已经,自我组织的分离组织和ECM生物学。8例如,一些和他的同事们9证明与ECM的互动可以提高大鼠肝细胞和肝细胞功能调节乳腺上皮细胞的生长和分化,当嵌入在ECM水凝胶,可以开发小管和导管。10 11另一个演示的重要性关键信息和cell-ECM交互的coculture胃上皮细胞和成纤维细胞在ECM凝胶气液界面。这种方法使胃组织的短期文化和促进胃粘液细胞表面分化的产生。12这些早期的研究表明,三维培养系统有可能支持形态重组和组织分化,但仅限于短期文化不能自我更新。
开创性的工作从实验室汉斯巧妙的证明单富亮氨酸repeat-containing G-protein-coupled受体5(Lgr5就)积极成年干细胞分离小鼠肠道组织可以形成一个自我更新的文化,重现了肠道crypt-villus架构和细胞成分,包括成熟的功能细胞类型。13孤立的干细胞是嵌入在基底膜基质ECM和培养媒体补充基于内源性生长因子肠道干细胞利基。从这个报告是一个关键发现R-spondin的包容文化媒体,一个移植Wnt信号LGR4/5/6配体,这有助于维持干细胞的数量。这首次发现以来,文化人类肠道瀑样已经完成,14和R-spondin包含媒体进一步优化支持代瀑样从其他器官+ Lgr5就祖细胞,包括结肠癌、14胃15和肝脏,16等等。
同时来自tissue-resident瀑样祖细胞的发展/细胞,ESCs被证明产生皮质组织分化时3 d聚合,17这对脑瀑样的生成奠定了基础,可以在体外模型方面的人类大脑开发。18这些报告以来,瀑样已经以及tissue-resident干细胞模型被用于许多器官来源于内胚层、中胚层和外胚层了裁判19。简要给出一个简单的列表瀑样系统日期:瀑样来源于内胚层:甲状腺20 21肺癌、22 - 24胃,15 25 26肝、16 -胰腺,30-33小肠13 34和结肠14个35;mesoderm-derived瀑样:肾脏,36骨,37输卵管38和子宫内膜39 40;和ectoderm-derived瀑样:乳腺,41 42视网膜,43-45大脑,18 46 47内耳48和唾腺。49在这个角度来看,我们将重点放在建立肝瀑样,他们如何可以用来研究肝脏发展和疾病及其治疗的潜力。
肝脏发展、体内平衡和再生
大多数的肝脏是由上皮细胞(肝细胞和cholangiocytes)与基质,内皮细胞和间充质细胞执行至关重要的代谢,身体内稳态外分泌和内分泌功能。肝脏发展我们的知识很大程度上源于老鼠的研究,尽管人类内在的生理差异可以指导研究人员的努力直接肝祖细胞分化和理解人类的发展。在器官形成胚胎肝脏祖细胞(称为hepatoblasts)指定后前肠内胚层。响应信号周围间质分泌的因素,如FGF, BMP,肝细胞生长因子(HGF)和Wnt hepatoblasts经历细胞形状变化,增殖和迁移到邻近的中胚层形成肝脏芽。50过程中肝芽和叶的建立,产物hepatoblasts成为lineage-committed为了引起肝细胞和cholangiocytes。51事实上,我们最近报道说,一个+ Lgr5就hepatoblast可以生成肝细胞和cholangiocytes,展示的bipotency hepatoblasts体内。52hepatoblasts的命运受到当地信号:子集的hepatoblasts暴露于门户间质生成cholangiocytes附近的信号,虽然hepatoblasts位于进一步从门户静脉响应信号从造血的细胞和引起肝细胞密切相关。
支持正常的功能,必须维护成人肝脏在体内平衡。相比其他肠内胚层的器官,如自我更新每隔3 - 5天,肝脏细胞营业额慢得多(在老鼠身上,大约每60 - 150天cholangiocytes和肝细胞,分别53)。自我平衡的维护上皮发生主要通过自复制的成熟细胞。54 55尽管细胞营业额很低,当挑战,肝脏有一个非凡的再生能力,虽然反复损伤组织可以导致肝功能损伤和纤维化,裁判了56。在部分肝切除术(外科切除的肝脏的2/3),其余健康成熟肝细胞应对创伤性再生信号,如肿瘤坏死因子-α(TNFa)和白细胞介素- 6增殖并接受增生为了恢复在一周内组织质量。57 58对这种现象的理解已经进入诊所,帮助促进活体移植和肿瘤切除术。然而,在toxin-mediated损伤(如病毒和酒精)或由于慢性肝脏疾病等非酒精脂肪肝(NAFLD),肝细胞受损,无法进行大规模增生性反应部分肝切除术后。不可思议的是,即使当肝细胞增殖是妥协,肝脏本身仍有能力再生。在这种情况下,有一个ductular反应的导管细胞被激活并开始增殖,重新繁衍肝脏。59 - 62可以理解的是,有一个大的努力来建立忠实的体外肝脏模型已经和tissue-resident干细胞/祖/分化细胞获得洞察生物学和疾病和肝再生机制(图2)。
原产地肝脏瀑样可以来自各种细胞通过调节信号通路在体外的文化。(A)肝脏瀑样可以从tissue-resident细胞形成孤立的从成人组织活检或在器官形成胚胎阶段。Hepatoblasts (bipotent胚胎祖细胞体内,引起导管细胞和肝细胞)可以放在基底膜基质ECM和生成导管或肝细胞瀑样根据培养基中的生长因子补充。(老鼠胚胎导管和肝细胞的图像具有亮瀑样取自之前等。52)信号通路通常列出调制使瀑样形成;至关重要的途径为不同类型的肝脏瀑样大胆。形成的导管或肝细胞瀑样从成人组织需要隔离的合适的细胞来源。为了从成人组织,生成导管肝瀑样导管碎片或导管细胞与基底膜基质可以放置优化媒体。成人肝细胞形成瀑样需要成熟肝细胞的分离。(B)肝脏瀑样也可以产生多能干细胞(万能和ESCs),通常通过一个三阶段分化过程,概括信号项目在开发过程中活跃。/ ESCs的细胞则是首先指向一个接触行为和Wnt内胚层的命运。这些内胚层细胞然后进展到肝命运后诱导HGF和FGF信号。这些肝祖细胞hepatoblast-like细胞。肝祖细胞可以形成hepatocyte-like细胞应对OSM信号。 Conversely, by placing the hepatic progenitors in ECM and modulating FGF, EGF and Act A signalling, ductal organoids can be generated. Act A, Activin A; BMP, bone morphogenetic protein; ECM, extracellular matrix; EGF, epidermal growth factor; ESCs, embryonic stem cells; FGF, fibroblast growth factor; FSK, forskolin; HGF, hepatocyte growth factor; ICM, inner cell mass; iPSCs, induced pluripotent stem cells; OSM, Oncostatin M; TGFbi, transforming growth factor beta inhibitor; TNFa, tumour necrosis factor-alpha.
胚胎肝瀑样作为一种工具来理解肝发展
随着体外复制肝的目的发展,几组已经成功地辨别人类成hepatocyte-like细胞逐步分化后的细胞则协议基于几个化学抑制剂。63年另一种方法是铃木和回族实验室,这迫使先锋肝脏转录因子的表达(HNF4a和FOXA1 2 3)64年或(HNF4a,GATA4和HNF1B)65年诱导的直接分化成hepatocyte-like细胞在体外的细胞则。然而,这些早期分化的方法进行2 d和缺乏所需的3 d信息形成肝组织体外。第一次尝试生成3 d肝组织文化,重现胚胎肝脏功能被Takebe胚胎肝脏芽文化的建立和他的同事们,66年人类iPSC-derived肝细胞在细胞培养间充质干细胞和脐带。结果肝芽瀑样由增殖hepatoblasts和相关的细胞,移植到不同的鼠标网站,发展成肝组织表现出成熟的肝脏功能。66年这个系统已经被精制肝内胚层,间叶细胞和内皮祖细胞都来自万能。67年人类也可以直接的细胞则通过暴露于特定信号通路形成cholangiocyte瀑样。68年由于精心调制所需的培养基直接已经被一个特定的谱系,瀑样模型需要解决一个主要挑战是成功coculture多种细胞类型的不同的媒体需求。最近,肝胆管的结构含有肝细胞和cholangiocyte细胞都来源于人类万能,69 70虽然这些结构不自我更新。这些报告可能促进文化媒体很快产生自组织的细化,自我更新的肝胆的瀑样。
临床使用的局限性之一iPSC-derived瀑样是关注关于基因组不稳定性由于暴露于重组因子。71年否定这个问题,瀑样可以来源于胚胎或成人tissue-resident干细胞。我们最近描述bipotent的隔离Lgr5就+胚胎hepatoblasts保留能力形成肝细胞或cholangiocyte瀑样取决于所使用的培养基。52同样,建立肝细胞瀑样来自大部分人类胚胎肝组织从流产胎儿被描述。28进一步优化培养条件的发展可以使肝胆的瀑样从这些tissue-resident干祖细胞。Hepatoblasts作为肝脏的功能干细胞在发展;然而,他们并不是普遍认为坚持在出生后出现。因此,为了概括体外肝再生和患病的状态,它可能是有益的开始使用细胞从初级分离成人肝组织文化。
肝脏瀑样概括成人组织和肝脏再生
早期研究Michalopoulos和他的同事们,72年中分离成年大鼠肝细胞和肝细胞被置于辊文化,导致肝组织类似的特性结构的形成;然而,这些文化只存活了很短的一段时间。自我更新的肝脏瀑样证明遗传稳定性在长期的文化在2013年被报道。健康的管道(或孤立Lgr5就+肝细胞postdamage感应)自我组织成三维结构,持续长期扩张成人导管祖细胞,同时保留能够分化成功能性hepatocyte-like细胞体外。16成人的扩张导管肝瀑样启用了优化培养基的使用。除了表皮生长因子和Wnt受体激动剂,已被证明是重要的瀑样推导Lgr5就+肠道干细胞,13对肝脏信号因素重要发展,HGF和FGF,补充培养基。这个协议后来适应了从人类健康主要生成肝瀑样组织27和产生疾病模型从原发性肝癌(PLC)(下面讨论)。73年最近,Nusse和聪明的实验室所描述的长期文化主要鼠肝细胞,28 29保留许多肝细胞的形态和功能特性。胡锦涛提出的系统等28使用增加R-spondin和FGF信号产生肝细胞瀑样表达谱相似的部分肝切除术后肝细胞。模型证明了彭等29日是基于观察,在肝损伤,liver-resident巨噬细胞分泌炎性细胞因子水平高,包括TNFa援助再生。文化与TNFa确实增强肝细胞的扩张。29日
除了肝脏瀑样从老鼠和人类细胞生成,成人导管瀑样也已生成的老鼠,74年猫75年和狗76年;延长综述肝脏从其他种类请参见ref瀑样77年。自几肝脏病理进展以类似的方式在猫和狗在人类中,使用从这些物种瀑样可以提供洞察推进人类疗法虽然不是受制于相同级别的道德约束。
这些肝脏瀑样技术的进步提供产前发展模型,组织维护和病态,否则棘手的过程来研究人类。下面我们讨论肝瀑样的生物医学应用,包括用于疾病模型(单基因和后天肝脏疾病)、药物筛选、毒理学研究和再生医学(图3)。
应用肝瀑样。(A)瀑样来自健康的捐赠者或病人可以用作模型基础研究探讨肝脏发育和功能在健康状况和解剖疾病的机制。肝脏瀑样也向个人化药物潜在的桥接工具,允许特定的药物筛选和基因治疗。(B)体外瀑样可以扩展和低温贮藏使生物资料库的建立。这些可以在大范围内用于再生医学(包括移植),药物筛选(patient-derived瀑样可以帮助识别药物,一群病人最有可能作出反应)和毒理学研究,预测潜在的治疗可能引起药物引起的肝损伤。
疾病模型
单基因肝脏疾病
单基因肝脏疾病是由单个基因的突变引起的。虽然这些被认为是“罕见”的条件,他们在每1000新生儿占10。78年这些代表了异质群体的疾病,根据薄壁组织损伤的程度和/或特定的肝脏表达,可以分为三组:(1)条件与主要肝实质损害,(2)障碍,肝脏附近的建筑是正常的,和(3)遗传缺陷与肝和肝外表现。78年
在单基因疾病与肝内和肝外表现,囊性纤维化(CF)是第一个人类单基因疾病模仿瀑样,具体使用人类肠道瀑样来自直肠活检的CF患者。79年突变引起的疾病是囊性纤维化跨膜电导调节(雌性生殖道)基因编码一个氯通道通常表示在许多器官的上皮细胞,包括cholangiocytes和胆管细胞的表面。突变雌性生殖道基因损害cholangiocyte氯运输,导致缺乏alkalinisation和随后的胆道阻塞导管在肝脏。80年Dekkers和他的同事们79年表明,肠道瀑样重现了CF疾病体外培养细胞内环腺苷酸的诱导物(营),称为forskolin,从而激活雌性生殖道功能。虽然健康瀑样回应阵营通过进口流体瀑样腔使其膨胀,这在CF肠道瀑样反应被废除。随后,Sampaziotis和同事68年和小川和他的同事们81年还显示,cholangiocyte瀑样由万能干细胞生成的CF患者中最常见的突变雌性生殖道(ΔF508)也可以用于模型CF体外。类似于小肠瀑样,CF cholangiocyte瀑样也缺乏forskolin膨胀的反应的能力。
肝脏内的单基因疾病,alpha-1-anti-trypsin (A1AT)缺乏症,威尔逊氏病和Alagille综合症是三个例子的疾病影响肝实质(对于单基因肝脏疾病的广泛审查,请参阅ref78年)。瀑样来自成人肝组织从A1AT不足或Alagille综合症患者或狗的特殊形式威尔逊氏病已经成功开发,概括关键方面的疾病模型。27日76年具体来说,分化的肝瀑样A1AT缺乏症患者积累蛋白质总量,类似原始活检中发现。27肝脏瀑样来自Alagille综合症患者的活检,27或由分化万能Alagille综合症患者,82年反映了体内胆汁缺陷描述。此外,肝脏瀑样小鼠模型的建立Alagille综合征(JAG1突变体)表明,突变引起延迟的能力瀑样分化成成熟的cholangiocytes和故障形成和维持胆汁导管。83年这些研究证明性肝瀑样疾病的关键特性在体外完成,使疾病过程的进一步理解。
获得肝脏疾病
首次利用工具模型肝脏瀑样单基因肝脏疾病,但最近3 d结构已经成功地用来模拟复杂的肝脏疾病,包括PLC和病毒性肝炎。
癌症
PLC,全球第二最致命的恶性肿瘤,包括肿瘤的异质群体独特的组织学特点和不良预后率:肝细胞癌(HCC)代表80%的PLC,其次是胆管癌(CC)。联合hepatocellular-cholangiocarcinoma亚型(HCC / CC)占0.4% -14.2%的制度。plc的特点是一个复杂和多样化的景观genetic-including高度的非整倍性,DNA拷贝数变化,体细胞突变和驱动肿瘤表观遗传学改变转换和增长,84年进一步支持病人个体化治疗的必要性,也称为个性化医学。multikinase抑制剂索拉非尼85年而最近lenvatinib86年只有两个在美国批准了一线治疗肝细胞癌。目前,不批准CC目标疗法。在plc中常见的基因改变,肝细胞癌和CC,包括那些TP53和细胞cycle-related基因,如CCND1和CDKN2A,在chromatin-remodelling基因ARID1A和ARID2。肝细胞癌进一步的特点是激活突变的组件WNT/CTNNB1通路,而CC是经常改变的表皮生长因子受体和喀斯特基因。84年
几十年来,研究plc取决于2 d细胞培养系统和转基因小鼠模型。虽然这些已被证明有助于促进我们对疾病的理解,这两种方法明显是有限的。PLC是基因不同,如图所示进行排序研究,数量有限的功能,现有的细胞行无法复制。事实上,建立细胞系代表一个异构基因组的plc的瓶颈,因为只有最有益的克隆突变是适合体外文化。此外,2 d细胞系无法模仿的histoarchitecture肿瘤。转基因小鼠模型(GEMM)提供了洞察疾病的生物学;然而,他们是耗时、昂贵和不能概括所有人类肿瘤的特征。病人派生异种移植(pdx),细胞移植到小鼠免疫功能不全的病人,都已建立(HCC和CC)作为GEMM的替代方法。87年pdx概括原始肿瘤的基因和组织学特征,88年如果道到人性化的小鼠可能有助于推断肿瘤和免疫细胞之间的相互作用。89年PDX方法已获得了巨大的成功研究耐药机制和测试不同的疗法。90 91然而,尽管pdx显示巨大的潜力转化直接治疗病人个体化的方式,这种策略有几个缺点:pdx并不适合大规模药物筛选,昂贵的,可以花大量的时间来建立。
通过调整初始协议扩大成人肝脏导管祖细胞,27我们成功建立了主要肝肿瘤瀑样vitro-called tumouroids-from肿瘤切除术(∼1厘米3八个PLC患者的组织),包括它的主要三个亚型:肝细胞癌,CC和HCC / CC。73年长期的文化扩张(~ 1年),并保存组织架构,基因表达模式和基因改变的患者肿瘤组织的起源。重要的是,保持tumouroids tissue-of-origin特性随时间变化;全球外显子组测序表明,超过90%的基因改变在病人的肿瘤组织中保持各自tumouroids在文化不到2个月,4个月后80%以上。此外,tumouroids重现原始肿瘤的转移潜力,当移植到小鼠免疫功能不全的。此外,比较基因表达分析tumouroids与健康的肝脏瀑样使小说的识别基因在肝癌组预后价值。这些研究表明肝脏肿瘤瀑样可以被用来确定新的基因与人类肝癌的一个潜在的重要作用。
此外,tumouroids检测他们的潜力作为药物筛选平台和验证候选疗法73年;tumouroids回应与不同程度的敏感性,支持他们使用药物敏感性测试平台在一个特定的方式,打开门精密肿瘤学。健康组织中不同敏感化合物的影响还有待检验。这可以通过使用健康瀑样作为一个平台来解剖候选疗法的潜在的副作用,有前途但未被探索的目标。虽然PLC-derived瀑样翻译支持广泛的潜力瀑样到诊所,使用的样本数量有限呼吁进一步验证更多的病人。tumouroids是否也可以帮助确定治疗转移仍有待调查。不幸的是,我们无法建立tumouroids从非常高分化肿瘤(少于5%的增殖细胞),从而排除药物测试先进的肿瘤。炼油介质条件下是否可能促进建立tumouroids从非常高分化肿瘤仍有待确定。
在一个平行的研究中,Nuciforo和同事92年优雅的显示,可以建立长期瀑样文化从细针活检肝细胞癌患者。这些瀑样保留了形态、表达模式和原始肿瘤的遗传异质性。同样,PLC tumouroids最近也从91年建立了小鼠肝脏肿瘤组织,在代表肝脏肿瘤的最大瀑样报告。在这项研究中,曹和他的同事们93年成功地使用生成的瀑样评估抗癌药物反应,再次展现肝癌瀑样概括异构治疗患者中观察到的反应。
值得注意的是,PLC,特别是CC的特点是高度的基质反应和粘连形成。不幸的是,所有PLC肿瘤瀑样文化发展直到现在只有专注于扩大上皮肿瘤的对应,以及其他类型的肿瘤细胞是否可以合并的结构和概括肿瘤的组织病理学特征在盘子里仍在调查。在这方面,胰腺癌症瀑样由央行设立等32最近cocultured基质细胞,94年然而在这份报告显示小细胞信息接触,主要是隔离的,与基质细胞坚持板的底部。coculturing上皮和non-epithelial肿瘤组织在一起是否会引起结构架构,将概括的起源和肿瘤严重粘连形成在这些肿瘤仍有待确定。
肝脏感染
的靶器官是肝脏的许多病毒和疟原虫疟疾寄生虫,代理造成。研究很大程度上依赖于人类肝癌细胞株和人性化小鼠模型,但这些贫穷系统概括复杂的肝细胞生物学,很难获得和高成本,而不是实际的大型药物筛选的目的。95年肝脏瀑样文化在某种程度上概括的复杂性和架构肝脏和可能提供新颖的见解主机和之间的交互疟原虫。使用iPSC-derived肝脏瀑样在这方面,最近的研究表明这是一个合适的体外培养系统研究模型乙肝病毒96年和丙肝病毒97年感染。分化肝瀑样保留肝细胞的先天免疫反应和维持细胞极性,概括乙肝病毒和丙肝病毒的自然输入,允许他们的细胞间传播。而3 d肝脏瀑样概括宿主病毒相互作用比标准的体外模型更忠实地到目前为止,他们是否可以用于筛选抗病毒治疗或传播病毒在文化等待进一步调查。
再生医学
目前原位肝移植是唯一有效的治疗终末期肝衰竭。98年然而,健康组织适合移植的短缺使得它不切实际的实现作为常规治疗。此外,病人接受移植手术往往需要经历长期免疫抑制治疗。99年肝脏的扩张和分化潜能瀑样使这些功能成熟、容易扩展的替代来源细胞移植,克服当前的局限性。Huch和他的同事们16为胆汁的潜力提供了第一个证据duct-derived瀑样细胞疗法,首先与老鼠,后来人为瀑样。27体外扩张后,向肝细胞分化命运,老鼠细胞被成功移植到fumarylacetoacetate水解酶(华氏温标)−−/突变小鼠,小鼠模型遗传酪氨酸血症I型。16c大调的缺乏导致肝功能衰竭,除非老鼠NTBC管理(2 - (2-nitro-4-trifluoromethylbenzoyl) 1, 3-cyclohexanedione)。尽管FAH-positive集群占据1%的肝脏质量,移植显著增加道小鼠的生存与控制老鼠相比,作为一个概念验证使用体外肝细胞疗法瀑样。也获得了类似的调查结果后移植的人类胆汁duct-derived瀑样成老鼠。27虽然开创性,导管细胞进入肝细胞的分化效率是有限的。最近,如上所述,两个研究建立了第二代肝瀑样(hep-orgs)使用主要的肝细胞。hep-orgs呈现高移植能力。28 29鼠标hep-orgs表现出80%的移植的小鼠肝实质收获103天post-transplantation时,29日显著改善过去移植率与导管瀑样。27同样,人类胚胎hep-orgs也提供了一个优越的移植能力10µg /毫升的白蛋白分泌的老鼠血液移植后45天28与100年相比ng / ml的蛋白质从导管瀑样报道。27
未来的研究需要确定信号驱动移植肝细胞的增殖瀑样。是否hep-orgs维持增殖和移植能力当移植到更多的临床设置,即长期受损的肝脏炎症和纤维化,需要进一步调查。在这些情况下,促炎和/或纤维环境可能如何影响移植细胞增殖和灌输的能力可能代表一个巨大的挑战。一个修改Huch等原来的协议27允许Sampaziotis和他的同事们One hundred.隔离和传播人类cholangiocytes从肝外胆道树。论文胆道瀑样能够重建胆囊壁和修复后的胆道上皮移植到老鼠。这些研究代表前进的一大步,我们的能力扩大功能性肝细胞和cholangiocytes治疗应用。
药物发现和个人化药物
肝脏的疾病造型能力瀑样,从成体干细胞生成或万能(箱1),打开门了肝脏瀑样作为药物筛选平台和毒理学测试。
肝脏瀑样肝病造型工具:优点和目前的局限性
的优势。
三维空间组织(对asc /万能)。
基因稳定(对asc)。
保存的遗传和表观遗传特征提取组织(对asc)。
长期的文化(对asc /万能)。
生物银行(对asc /万能)。
安全的移植(对asc)。
无限的来源patient-derived细胞(万能)。
非侵入性的推导过程从不同的细胞(如皮肤成纤维细胞/血细胞)(万能)。
概括肝发育的不同方面(万能)。
疾病模型(对asc /万能)。
高通量药物筛选(对asc /万能)。
个性化药物(对asc /万能)。
基因治疗(对asc /万能)。
电流限制。
持久性的胎儿标记(万能)。
有限的细胞成熟(对asc /万能)。
限制进入组织和需要侵入性方法(对asc)。
未能概括多种细胞类型的肝脏(对asc)。
对asc,成体干细胞;万能干细胞,诱导多能干细胞。
正如前面所讨论的那样,使用PLC tumouroids人员能够识别、规模小,肿瘤的敏感性不同的治疗方法,73年理论水平,肝瀑样可能适用于病人个体化治疗。沿着这些线路,肝脏瀑样的一个新兴的应用是生物资料库的建立,可以用作筛选平台识别药物疗效与plc和其他潜在的肝脏疾病。肝脏瀑样生物银行也可以从建立健康的肝细胞和作为一个平台用于预测药物引起的肝损伤(帝力),急性肝衰竭的主要原因和药物的主要原因从市场上清除。101年目前人类原发性肝细胞的“金本位”药物代谢和毒性测试,可用性和长期的文化是有限的。新成立的人类胚胎hep-org代表一个潜在的一步制药业在寻求评估潜在的新疗法帝力。在这方面,无论是人类胚胎肝脏瀑样发展到成人阶段还是老鼠成年瀑样概括人类同行和表达所需的所有新陈代谢酶来评估人类帝力还有待调查。
结论和未来的发展方向
而肝脏瀑样概括肝脏的主要方面(如。架构,某些功能和基因签名)大规模使用在生物医学应用仍受限于我们当前无法控制瀑样大小,形状和细胞成分(箱1)。使用肝再生医学瀑样作为一个潜在的战略依赖于他们的再现性,可扩展性和安全性一样他们的成本效益。生物工程拥有更大的潜力来生成肝瀑样更生理相关但也更适合生物医学应用。19
利用潜在的肝细胞生成肝瀑样引发了我们的概括能力的上皮细胞体外肝脏。然而,疾病建模复杂的疾病,如plc的微环境是关键,要求代的多细胞肝瀑样上皮细胞与内皮细胞,间叶细胞和免疫细胞。与工程师们密切合作将进入肝脏血管瀑样可以看作是必须的,很明显一个潜在的战略来解决有限的养分有效性,最终越来越瀑样时发挥作用。
肝脏瀑样工具模型的潜在的其他关键慢性肝脏疾病,即非酒精性脂肪肝和肝纤维化是一种很有前途的,但还未开拓的领域。非酒精性脂肪肝已成为最常见的慢性肝脏疾病在发达国家,102年包括一个广泛的和进步的肝脏组织学alterations-from脂肪肝(脂肪变性)非酒精性脂肪肝(NASH)——这是一个建立肝癌的风险因素103 104和CC。105年一个额外的非酒精性脂肪肝liver-related死亡率风险的重要因素106年纤维化(异常虽然ECM的可逆沉积蛋白质)。尽管其发病率高,对非酒精性脂肪肝的机制及其进展到纳什在人类肝脏。从Takebe的实验室最近的一份报告显示,则分化成肝细胞瀑样概括非酒精性脂肪肝的某些方面和纳什在体外,即脂质积累和纤维化、治疗与游离脂肪酸。107年这个系统有潜力用作药物测试平台和识别潜在的新疗法非常普遍的疾病。然而,无论这些iPSC-derived肝细胞瀑样可以概括纳什非酒精性脂肪肝的渐进性质,和后续步骤从纳什到肝硬化和肝癌,在病人需要多年,仍待进一步调查。这些瀑样移植到老鼠可能会促进发展。是否patient-derived肝脏瀑样,如果被证明能够概括该病的特点,可以帮助寻找生物标记物风险发展到纳什和推断病人个体化治疗仍有待研究。
一些肝脏疾病,包括肝癌、经验重要的表观遗传变化,修改肝细胞的表观遗传景观。108年是否成人tissue-derived肝脏瀑样和/或iPSC-derived 3 d肝脏瀑样保持这些疾病的表观遗传特征以及他们是否可以用来研究表观遗传修饰符所扮演的角色在疾病起始和进展仍有待确定。在这方面,工程BAP1突变在健康肝脏瀑样最近启用的识别作用的表观遗传修饰符BAP1 CC。109年在这项研究中,BAP1,预测组蛋白deubiquitinase,发现控制上皮完整性通过染色质易访问性的规定,导致收购恶性特征瀑样已经窝藏其他CC突变。109年同样,产后tissue-derived肠道瀑样可以保留的表观遗传景观(methylome)起源的组织。110年
总之,肝脏瀑样,是否来自已经被认为,胚胎或成人健康或病变组织,提供良好的机会来研究人类肝脏以前所未有的方式。平行于肝脏发展的进一步发展我们的基本理解,生物学和疾病,人类肝脏瀑样excel作为有前途的工具对于广泛的生物医学应用程序,从疾病的罕见疾病造型个人化药物或细胞疗法。这个令人振奋的挑战将需要多学科的方法,与生物学家,临床医生和工程师密切合作,进一步了解肝细胞可以self-organise建立肝脏,我们身体中最复杂的器官之一。
引用
脚注
NP和π同样起到了推波助澜的作用。
贡献者所有作者写和阅读手稿。
资金这部分工作是由一个H2020 LSMF4LIFE授予MH。MH Wellcome Trust亨利爵士戴尔研究员,共同由威康信托基金会和英国皇家学会(104151 / Z / 14 / Z)。π是由一个项目资助(NC / R001162/1)获得由国家中心更换,细化和减少动物研究(NC3Rs)。本工作描述替代体内肝实验生物学和疾病。作者承认核心资助的古尔研究所威康信托基金会(092096)和CRUK (C6946 / A14492)。
相互竞争的利益没有宣布。
出处和同行评议不是委托;外部同行评议。
病人同意出版不是必需的。