肝再生研究中的热点问题

摘要

肝脏具有极强的再生能力, 与其作为体内最重要的解毒器官并常被多种毒素损伤相适应. 肝再生研究一直是再生医学研究领域的热点, 其机制已得到深入阐明, 但仍有一些热点问题尚存在广泛争议, 例如, 哪些因素决定了是肝细胞还是干细胞作为不同性质肝损伤后肝再生的主要细胞学基础; 肝再生的启动因素有哪些; 肝再生过程中肝功能是如何维持和代偿的; 肝再生终止信号, 以及肝再生结束后肝小叶如何进行重构. 本文将就这些尚存争议或尚未阐明的问题进行阐述.

关键词: 肝再生; 肝细胞; 热点问题

Central questions regarding the process of liver regeneration

Yu-Jun Shi

Yu-Jun Shi, the Key Laboratory of Transplant Engineering and Immunology, Ministry of Health, West China Hospital, Sichuan University, Chengdu 610041, Sichuan Province, China

Supported by: National Natural Science Foundation of China, No. 30870983.

Correspondence to: Yu-Jun Shi, the Key Laboratory of Transplant Engineering and Immunology, Ministry of Health, West China Hospital, Sichuan University, 1 Keyuan 4 Road, Gaoxin District, Chengdu 610041, Sichuan Province, China. shiyujun@scu.edu.cn

Received: October 15, 2010
Revised: December 6, 2010
Accepted: December 6, 2010
Published online: December 8, 2010

Abstract

The liver is an interesting organ with unusual regenerative capacity to adapt its role as the main detoxifying organ in the body that is likely to be injured by various toxins. Many aspects of the signaling mechanisms involved in hepatic regeneration have been clarified, however, several central questions are still in debate. The purpose of this review is to focus on the areas still not well understood, including the factors that determine whether hepatocytes or liver progenitor cells should be evoked for proliferation after various injuries, the factors that initiate liver regeneration, the mechanisms by which the liver maintains and compensates its function during regeneration, the signals that lead to proper termination of liver regeneration, and the process of lobular remodeling after regeneration.

Key Words: Liver regeneration; Hepatocyte; Central question

0 引言

肝细胞(hepatocyte)为终末分化细胞, 生理条件下绝大多数为静息状态, 仅约0.1%细胞发生分裂以补偿凋亡的肝细胞. 肝脏又保持着极强再生能力, 人或啮齿类动物在部分肝切除(partial hepatectomy, PH)后, 残留肝细胞立即启动有丝分裂, 肝实质能在较短期内完全恢复细胞总数和功能[1]. 尽管如此, 如何更快更有效促进肝细胞再生以代偿受损肝功能仍是临床经常需面对的难题. 对肝细胞再生及调控机制的研究是再生医学最为活跃的研究领域之一, 但仍有不少热点问题尚待阐明. 本文将就肝再生研究中的几个热点问题: 肝再生的细胞学基础、肝再生信号的启动和终止、肝功能的维持、肝小叶结构重建等进行讨论.

1 肝再生的细胞学基础

肝细胞占肝脏细胞总数的65%和肝体积的80%, 也是肝脏最主要的功能细胞, 通常肝再生这一概念就是指肝细胞再生. 肝细胞本身具有强大的再生能力, 大鼠可耐受连续12次极限量肝切除(95% PH)[2], 因此有人甚至认为肝细胞具有无限增殖能力. 作为终末分化细胞, 肝细胞这种强大的再生能力是很奇特的, 类似于肿瘤细胞或者干细胞, Fausto认为肝细胞对肝再生而言是最高效的"干细胞"[3]. 肝脏内的其他细胞, 如胆管上皮细胞、肝窦内皮细胞、星状细胞等, 其再生落后于肝细胞并受到新生肝细胞分泌的生长因子调控. 有趣的是, 肝细胞的这种"无限"增殖能力仅限于体内, 离体的肝细胞无法长期增殖传代, 目前并未建立真正意义的肝细胞株, 这也极大地限制了肝细胞移植以及体外生物人工肝的实际应用, 后者尚依赖于肝癌细胞或原代分离的猪肝细胞, 细胞获取困难, 费用相当高昂[4,5].

肝脏内的确存在所谓的干细胞, 目前认为有肝卵圆细胞(hepatic oval cell, HOC)、小肝细胞样前体细胞(small hepatocyte-like progenitor cells, SHPC)、表达CD133的肝星状细胞等数种. 此外, 骨髓间充质干细胞、胰腺干细胞等可能也参与了肝再生[3,6,7]. 人们日益寄望于这些干细胞能更有效地修复受损肝脏, 在人体及动物实验中也证实干细胞回输的确能改善病变肝脏的组织学及功能[8,9]. 肝脏干细胞移植的安全性和有效性仍存在较大争议, 目前仅有散在的临床病例报道, 尚缺乏大样本临床随机对照试验数据来支撑. 在体外将不同来源的干细胞定向培育为具有特定功能的"肝细胞样细胞", 并利用其"无限"增殖能力以获得足够细胞数量, 再进行细胞移植, 对于肝衰竭的治疗作用还是可以预见的. 事实上, 任何能在体外大量获取"肝细胞样细胞"的策略, 即建立工程化肝细胞株用于细胞移植或组织工程肝, 均有望成为今后治疗肝衰竭的方法[10,11].

另一个值得注意的问题是残留肝细胞是否具有相同的增殖能力, 即PH后是否所有肝细胞均参与肝再生? 经典的肝细胞增殖动力学数学模型认为, 大鼠2/3 PH后, 有约95%(老年大鼠为75%)的肝细胞会进入增殖周期, 部分肝细胞发生一次有丝分裂, 少数肝细胞发生二次分裂, 肝细胞即恢复至术前数量. 然而, 通过多次重复给予过量的同位素标记dNTP或BrdU, 在肝脏恢复原来重量后, 仅能检测到少量肝细胞呈阳性着色, 提示有很大部分的肝细胞可能根本就不参与肝再生, 其病理生理意义还未引起足够重视.

2 肝再生的启动因素

因PH模型手术简单、肝脏本身无预存病变, 干扰因素单一, 成为研究肝再生的理想模型, 特别是研究肝再生启动信号中最常用的模型[12]. 多种生长因子(growth factor)和细胞因子(cytokine)参与了肝细胞再生的启动, 如胰岛素、表皮生长因子、去甲肾上腺素、甲状腺素、内毒素、补体成分等[13]. PH后1-5 min内即能检测到血清中尿激酶型纤溶酶原激活物(urokinase-type plasminogen activator, uPA)水平的升高[14], uPA与前肝细胞生长因子(pro-hepatocyte growth factor, pro-HGF)形成异二聚体, 生成成熟的HGF, 后者与肝细胞表面HGF受体c-met结合, 使其磷酸化, 增强c-met酪氨酸激酶的活性, 进而导致多种底物蛋白的酪氨酸磷酸化, 直接调控与有丝分裂密切相关的PI3K、ERK、S6 kinase及AKT等的活化. 事实上, 肝细胞再生相关信号通路异常复杂, 通过基因芯片, 已发现至少有300个基因表达发生明显改变, 其中涉及到100多个即刻早期基因(immediate early gene)[15]. 然而, 通过基因敲除技术, 尚未证实任何一个有关基因的缺失能完全阻断肝细胞的再生, 最多起一定的延缓作用[12]. 相应的, 人为给予任何促肝再生的细胞因子或生长因子, 也难以显著促进肝细胞的有丝分裂, 这就使得期待通过药物手段来促进肝再生变得异常困难.

尽管人们日益阐明了与肝再生相关的蛋白质所形成的网络, 但仍不清楚最早的启动因素. PH后的肝再生并非重新长出丢失掉的肝叶, 而是由残留肝细胞的代偿性增生, 使肝脏恢复到术前的细胞总量, 最终表现为残肝均匀增大. 这表明不论与创面相距多远, 肝细胞几乎能同时感受到损伤刺激并具有相同的增殖活性. 更有趣的是, 将肝细胞异位移植于脂肪组织, PH后可观察到这些细胞也开始活跃增殖[16]. 远离创面的肝细胞是如何迅速地感受到增殖信号的呢? 唯一能确定的就是增殖信号肯定存在于血液循环中. 血液中细胞因子和生长因子的改变, 甚至血液流变学的改变都是不容忽视的因素. PH后肝脏体积骤减, 微循环血管床容积相应减小, 肝血窦单位时间血流量将急剧增加. 流体剪应力(shear stress)的改变被认为可直接作用于肝窦内皮细胞及位于其间的库普弗细胞、肝星状细胞, 使其表达一氧化氮合成酶(nitric oxide synthase, NOS)并分泌促肝再生的因子[17]. 但剪应力能否直接作为肝细胞再生的启动因素仍尚无定论[12]. 单位体积肝组织获得更丰富的血液供应, 由此也带来更多的生长因子和细胞因子, 也可能是启动肝细胞再生的因素[12,18]. 此外, 这些因子也不一定都来源于肝脏, PH后很快就可在肺中检测到HGF的升高, 还无法确定这些HGF生成于肺内某种细胞还是通过血液循环而来[19].

3 肝再生时肝功能的维持和代偿

肝细胞的再生被认为是肝损伤后肝功能维持和代偿最重要的途经. 众多具有"肝脏保护作用"的细胞因子、生长因子与肝功能维持和代偿有关[20]. 但无论如何, 肝功能有赖于残留肝细胞或新生肝细胞来执行. 有趣的是, 通过药物(如retrorsine或地塞米松)来显著抑制肝细胞再生, 施行PH后的大鼠可依赖残留的约1/3肝细胞获得长期存活, 其肝功能可得到完全代偿[21,22]. 同样, 慢性肝硬化患者的肝细胞呈进行性减少, 但其肝功能在相当长时期内能维持在相对正常水平. 显然, 肝脏具有某种不完全依赖于肝细胞数量的功能代偿机制. PH后尤其是通过药物抑制了肝细胞增殖后, 肝细胞普遍肥大, 细胞器更是高度发达, 显示出活跃的代谢功能. 肝细胞中约有60%-70%为四倍体甚至八倍体, 约30%细胞为双核, 倍增的核酸是与肝细胞活跃的生理功能相适应的[23]. 如果30%左右的肝细胞即可完全代偿肝功能, 那么多出来的细胞以及大多数肝细胞内天然倍增的核酸, 可能就是肝功能储备的物质基础. 但值得推敲的是, 通常肝细胞是不容易遭受致死性损伤的, 并且即使受到损伤, 其强大的再生能力也能很快给予补偿, 为什么肝脏要保留远超过基本需求的肝细胞数量, 甚至还进化出如此高比例的多倍体细胞呢?

4 肝再生的终止信号

肝脏的大小与个体质量(或体表面积)高度匹配. PH后, 肝细胞将呈现过度增殖, 使个体获得多于原肝的肝细胞数量, 之后通过凋亡机制清除多余的肝细胞[24]. 同样, 如肝移植受者被植入大于其原肝体积的肝脏后, 肝细胞将出现凋亡. 肝细胞感知到何种信号后停止增殖并转而发生凋亡的呢? 相比肝再生启动信号, 对肝再生终止机制的认识更为肤浅, 可能与TGF-β等因子有关[25]. 对肝再生终止的研究有着切实的临床意义, 慢性肝硬化时, 肝细胞长期遭受慢性炎症刺激, 但其增殖并不活跃, 通常认为此时肝细胞再生能力已丧失. 意外的是, 将假小叶中的肝细胞分离出来再回输到别的个体, 这些细胞表现出较从健康肝脏获取的肝细胞更为活跃的增殖能力[26]. 显然, 即使在肝硬化时, 肝细胞本身的增殖能力并没有丧失, 只是被严重抑制了. 肝硬化组织中如出现活跃的增殖细胞, 则往往提示有发展成肝细胞癌的风险, 此时肝细胞表现出不受约束的增殖能力[27]. 显然, 某种"终止信号"抑制了这些肝细胞的再生能力, "终止信号"的异常则可能是肝硬化最终恶变的原因. 如能阐明肝再生的终止信号并进行有效的人为调控, 不但可促进肝硬化时肝细胞的再生并避免其向恶性细胞转化, 同时, 也有望实现肝细胞体外的长期培养以建立工程化肝细胞株.

5 肝再生后肝小叶结构重塑

肝细胞经过有丝分裂, 形成排列紧密的肝细胞团, 经星状细胞形成的纤维条索穿插分割, 形成新的肝索, 之后内皮细胞长入建立新的肝血窦[28]. 肝小叶结构使每一个肝细胞都能与肝血窦、毛细胆管及邻近的其他肝细胞接触, 即保证了肝细胞本身的充足氧供、胞间通讯、胆汁的排泌, 更重要的是让门静脉血能与肝细胞充分接触, 肝小叶这种巧妙的结构特点是肝细胞发挥其全部生理功能的组织学基础[29]. 早在20世纪60年代就有人开始计算肝再生后肝小叶究竟是不是增多了, 时至今日该问题仍无确切答案[30]. 多数研究报告认为PH后, 通过肝细胞的再生及组织学重构, 有新的肝小叶形成, 但其证据都相对不足, 主要还是通过组织切片上中央静脉或汇管区计数、门静脉和中央静脉之间的距离测量等方法来间接推断. 如果肝小叶数量不增多, 2/3 PH后再生的肝小叶体积将是原来的3倍; 如果肝小叶数量增多, 则需要形成新的中央静脉及汇管区结构, 肝细胞将进行彻底重排, 这必然存在更复杂的细胞迁移和分化. 限于技术手段, 目前难以模拟出肝小叶重构的动态过程, 无法确定是否有新的汇管区形成, 也不清楚究竟哪些细胞参与了该过程, 又是受到哪些信号分子的调节. 对肝小叶结构重塑的认识将有助于理解肝硬化时假小叶的形成机制, 并为重建假小叶内新的中央静脉和汇管区的提供理论依据.

6 结论

肝脏具有强大的再生能力以及功能代偿能力, 但临床却随时面临如何促进肝细胞再生的难题, 这一矛盾使得肝再生研究显得非常有趣. 目前该领域几乎所有的研究都致力于寻找可显著提高肝再生能力的理想方法, 可惜都收效甚微. 然而, 过度的肝细胞再生有时可能适得其反, 如活体肝移植后的"小肝综合征"就可能与肝细胞增殖活性过高有关[31]. 非常有必要深入探讨肝再生启动、功能维持、再生终止以及肝小叶重构的分子机制, 全面系统地认识和理解肝再生的分子事件, 方有可能寻找到更合理的策略[32], 一方面利用残留肝细胞来尽可能维持基本的肝功能; 另一方面, 合理调控(而不是一味促进)肝再生和肝小叶重构, 恢复肝脏的组织学基础.

评论

背景资料

肝细胞为终末分化细胞, 生理条件下绝大多数为静息状态, 仅约0.1%细胞发生分裂以补偿凋亡的肝细胞. 肝脏又保持着极强再生能力, 人或啮齿类动物在部分肝切除后, 残留肝细胞立即启动有丝分裂, 肝实质能在较短期内完全恢复细胞总数和功能.

同行评议者

郑素军, 副主任医师, 首都医科大学附属北京佑安医院人工肝中心

研发前沿

如何更快更有效地促进肝细胞再生以代偿受损肝功能仍是临床经常需面对的难题. 对肝细胞再生及调控机制的研究是再生医学最为活跃的研究领域之一.

相关报道

Fausto认为肝细胞对肝再生而言是最高效的"干细胞".

同行评价

本文内容新颖, 对于读者了解目前肝再生研究的现状、存在的问题和前景具有一定的指导作用.

备注

编辑:李军亮 电编:何基才

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