7月28日，是第7個世界肝炎日。據世界衛生組織估計，到2030年中國因慢性肝炎導致的死亡將達1千萬例左右[1]。
當前，中國有9000萬慢性乙肝患者，其中2800萬人需要治療，700萬人因嚴重肝臟疾病和癌症發病風險需要緊急治療。中國慢性丙肝患者感染者約為1000萬人，其中250萬人急需治療[1]。
慢性肝炎會帶來很高的肝硬化和肝癌風險，可能會引起過早死亡。針對終末期肝病，唯一有效的治療就是肝移植。然而，2009年資料顯示，我國肝受體和肝供體的比例接近100:1[2]，即大約100個需要肝移植的患者去爭奪1個捐獻的肝臟！
當然，肝供體短缺也是全世界各個國家面臨的難題。為此，不少科學家另闢蹊徑，積極投入到人造肝研發中。但是，這些人造肝要麼因為體積過大，在移植時會產生缺血性損傷；要麼僅依賴移植細胞的自我組織能力以形成更大的結構，卻忽視了組成肝臟的多種細胞間的相互作用，而這對移植物的擴增及功能有重要影響！
為了克服當前人造肝的不足，來自麻省理工學院、洛克菲勒大學和波士頓大學的研究人員，專門開發了一種新的方法，將三種類型的細胞嵌入可生物降解的組織支架中，形成了直徑大約6毫米的人造肝，並形象地稱它為“種子”（In Situ Expansion of Engineered Devices，SEED）。當把人造肝“種子”異位移植到肝損傷的小鼠腹腔後，在小鼠受損肝臟釋放出的再生信號刺激下，這個微小結構擴大了50倍，並且還能行使正常的肝組織功能！相關的研究成果刊登在近期的《科學轉化醫學》上[3]。
該研究的通訊作者，麻省理工學院科赫綜合癌症研究所教授，Sangeeta Bhatia表示：“器官總是供不應求。我們的目標是，有一天能夠利用這項技術，增加器官移植的數量。另外，這些工程化的肝臟也可以幫助數百萬患有慢性肝病但不符合肝移植條件的患者！”[4]
Sangeeta Bhatia教授
肝臟，是人體的重要器官，它能行使大約500種功能，這些功能可以分為四大類：蛋白質合成、能量代謝、膽汁生成和藥物解毒。
肝臟能夠發揮眾多的功能，離不開組成肝臟的細胞，最主要的就是肝實質細胞（肝細胞），當然也離不開其它細胞，如內皮細胞、成纖維細胞。
這種新開發的可植入式人造肝“種子”，建立在Bhatia教授實驗室以前的工作之上。
2011年，Bhatia教授帶領團隊開發了一種工程化的組織支架，其大小和形狀跟隱形眼鏡差不多。他們將人的原代肝細胞用這個工程化支架包裹，將其植入到健康小鼠腹部。植入的肝細胞與小鼠的循環系統整合，接收小鼠的血液供應，並能發揮肝臟藥物解毒的功能[5]。這是在小鼠中重建人類肝臟組織的重要一步。
2011年，Bhatia團隊構建的人造肝示意圖
然而，這個移植物中包含的肝細胞實在是太少了，還不到100萬。要知道，一個健康人肝臟中有1000多億個肝細胞。這樣算起來，重建的人工肝還不足健康肝臟肝細胞的10萬分之一。Bhatia教授認為，要想幫助大多數患者，至少得有10%--30%的健康人肝細胞才行[4]。
那麼怎樣才能達到這個要求呢？此時，肝臟的一個重要特徵讓研究人員找到了突破口——肝臟的再生！研究表明，即便切除了肝臟的70%，只要保證剩餘肝臟的血管系統是完整的，那麼肝臟都是可以再生的[6]。
2013年，Christopher Chen，現為波士頓大學教授，帶領團隊發現，肝臟再生，少不了肝細胞與基質細胞（如成纖維細胞）之間的信號交流，並且內皮細胞對肝臟再生也有促進作用 [7]。
另外, Chen教授帶領的團隊還發現肝細胞與基質細胞緊密接觸、內皮細胞靠近但不與肝細胞直接接觸，都會讓工程化肝臟表現出最佳的功能[8]。
於是，Bhatia教授帶領團隊找到Chen教授合作，構建了人造肝“種子”。為了驗證這個人工肝“種子”的功能，他們又同克菲勒大學的Charles Rice教授合作，利用Rice教授團隊研發的遺傳性肝病小鼠模型[9]進行了測試。
具體是怎麼做的呢？首先是將人肝細胞和人成纖維細胞，在微孔中培養過夜，形成規定尺寸的聚集體[8]。同時，將內皮細胞與膠原蛋白混合，注入槽狀結構的有機硅材料中，再將內皮細胞轉移至纖維蛋白的包膜中，這樣，就形成了有通道的束狀結構[7]
內皮細胞形成束狀結構示意圖
然後，再將人肝細胞和人成纖維細胞形成的聚集體注入到通道中，這樣就形成了具有特殊構造的肝組織。最後，再用直徑為6毫米的活檢穿孔器切割，形成人造肝“種子”，迅速將其異位移植到肝損傷的小鼠腹部。
一旦將其植入小鼠體內，人造肝“種子”將會接收到小鼠受損肝臟發出的再生信號，並在這幾種細胞間的相互作用下發生擴增。移植後的80天，研究人員將小鼠處死，取出人造肝，並對人工造肝的大小、肝臟合成蛋白及藥物解毒的功能進行了分析。
本研究人造肝“種子”製作示意圖
他們發現，取出的人造肝，相比於原始的“種子”，擴增了50倍！並且還能產生大量與肝功能相關的蛋白質，如白蛋白、轉鐵蛋白、α抗胰蛋白酶和纖連蛋白。另外，與肝臟藥物解毒相關的基因表達也上調了。
最後，他們還對人造肝的形態學進行了分析，發現在人造肝的內部，長出了血管結構。更有意思的是，研究人員還找到了微小的膽管前體！這可不是他們有意而為之的。
雖然，研究人員還不能解釋為什麼會出現膽管前體，但是這卻給他們帶來了驚喜，也是他們下一步研究的重點，希望能找到具體的原因，並使其更快、更有序的發生，以及檢測這些膽管是否具有功能。
另外，由於他們現在使用的肝細胞，來源於因冷藏太久而不適合移植的人類肝臟，研究人員也在探索這些植入物的最佳細胞來源。包括從患者自身肝臟提取細胞，最終再次植入患者體內，這將避免強烈的排斥反應；或者誘導多能幹細胞產生的肝細胞。
儘管並沒有參與研究，來自Salk研究所分子生物學教授，Inder Verma對此給予高度評價：“這項工作非常有創意！使用原代肝細胞、內皮細胞和基質細胞，就能最終完成 50 倍的擴增，真是太令人印象深刻了！同樣也為其他的類器官培養提供了思路！”[4]
我們期待，Bhatia教授的後續研究。或許真的有一天，有個慢性肝病的患者跑到醫生面前說“醫生，我肝兒疼!有沒有啥好法子能解決這個問題？”醫生說：“有啊，稍等幾天，給你準備個肝種子，造個新肝臟出來就妥了！”
參考資料：
[1]http://www.wpro.who.int/china/mediacentre/releases/2016/20160727-china-world-hepatitis-day/zh/
[2] 陳規劃. 中國大陸肝移植:過去、現在和將來[J]. 器官移植, 2010, 01(1):5-6.
[3]Stevens K R, Scull M A, Ramanan V, et al. In situ expansion of engineered human liver tissue in a mouse model of chronic liver disease[J]. Science Translational Medicine, 2017, 9(399): eaah5505.
[4]http://news.mit.edu/2017/engineered-liver-tissue-expands-after-transplant-0719
[5] Chen A A, Thomas D K, Ong L L, et al. Humanized mice with ectopic artificial liver tissues[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2011, 108(29): 11842-11847.
[6] Greene A K, Wiener S, Puder M, et al. Endothelial-directed hepatic regeneration after partial hepatectomy[J]. Annals of surgery, 2003, 237(4): 530.
[7] Baranski J D, Chaturvedi R R, Stevens K R, et al. Geometric control of vascular networks to enhance engineered tissue integration and function[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013, 110(19): 7586-7591.
[8] Stevens K R, Ungrin M D, Schwartz R E, et al. InVERT molding for scalable control of tissue microarchitecture[J]. Nature communications, 2013, 4: 1847.
[9] De Jong Y P, Dorner M, Mommersteeg M C, et al. Broadly neutralizing antibodies abrogate established hepatitis C virus infection[J]. Science translational medicine, 2014, 6(254): 254ra129-254ra129.
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