eGastroenterology | 从“培养皿”到“临床”：体外肝病模型重塑未来精准诊疗

导读

近年来，全球肝病负担持续加重，代谢功能障碍相关脂肪性肝病（metabolic dysfunction-associated steatotic liver disease, MASLD）、肝纤维化以及肝癌等疾病已成为重大公共卫生挑战。然而，多数肝病的致病机制尚未完全阐明，新药研发的成功率也始终难以提升。由于传统动物模型存在物种差异，导致许多候选药物在临床试验中失效或暴露出潜在毒性风险，这一困境促使科研人员寻求更“接近人体真实情况”的研究工具。

近期，eGastroenterology特邀来自德国柏林自由大学Nan Ma教授、德国柏林夏里特医学院Frank Tacke教授、Adrien Guillot博士及团队发表了题为“Engineering liver disease models in vitro: emerging trends and innovations”的综述文章，系统总结了体外肝病模型领域的最新研究进展。本综述从肝组织结构、疾病机制到模型构建策略等多个维度，全面呈现了体外肝病模型从2D到3D、从单细胞到多细胞、从静态到动态的革命性发展历程。

传统的2D细胞培养方法虽然简单易行，但难以呈现肝脏复杂的代谢分区、多细胞互作以及流体剪切力等关键生理特征，限制了研究深度。综述指出，近年来出现的3D技术正逐步突破这些瓶颈，包括：

（1）多谱系肝类器官（multilineage liver organoids）：由多种肝脏相关细胞谱系自组织形成，可构建更接近真实肝组织的三维结构，并维持长期功能活性。

（2）多细胞共培养体系：可更精准地模拟肝脏的免疫环境、代谢活动与组织结构动态。

（3）微流控肝脏芯片（liver-on-a-chip）系统：实现了类肝小叶的空间结构、持续灌流和氧梯度等关键微环境特征。

这些模型弥补了传统体系“结构不够真实”、“缺乏动态环境”的缺陷，让体外研究更接近真实的人体生理状态。

图1：展示了脂质在肝细胞内堆积后如何逐步引发肝脏炎症，以及如何利用不同体外模型去模拟这一过程。上半部分说明：当自由脂肪酸大量进入肝细胞后，会形成脂滴、造成内质网压力和氧化应激，最终释放多种损伤相关分子模式。这些信号会招募并激活免疫细胞，包括Kupffer细胞、单核来源巨噬细胞、T细胞和B细胞，形成炎症反应，推动脂肪性肝病向更严重的阶段发展。下半部分展示了常用的体外研究模型：（1）单层细胞培养：用于模拟基础的脂肪堆积过程；（2）共培养体系：加入免疫或支持细胞，能再现更丰富的细胞反应；（3）肝类器官：具备三维结构，更贴近迷你肝脏；（4）工程化类器官：包含多种肝脏细胞，功能更接近原生组织；（5）肝芯片：利用微流控技术重建“微型肝窦”，模拟更接近人体的肝脏环境。从左到右，模型的“结构复杂度”和“能模拟的炎症程度”逐渐提升。

体外模型的创新不在于“造出一块肝”，而在于“造出一个能生病的肝”，使得如下几类疾病模型的病理还原度显著提升：

（1）MASLD模型：精准再现“脂毒性—免疫激活—纤维化”全过程

通过脂肪酸刺激、炎症因子诱导以及多细胞互作体系，模型可观察到脂质积聚、活性氧增多、免疫细胞激活，并呈现纤维化表型，较完整地再现疾病进展链条。

（2）肝纤维化模型：从“单一细胞”到“微环境重建”

通过调控支架硬度与重建细胞外基质（extracellular matrix, ECM）结构，模型能够模拟肝星状细胞（hepatic stellate cell, HSC）激活、ECM累积以及机械力诱导的纤维化信号（如YAP/TAZ通路）。

（3）肝癌模型：模拟肿瘤异质性与免疫微环境

3D肿瘤球与肝癌-on-a-chip系统可模拟多方面肿瘤特征，包括：肿瘤干性细胞亚群（如CD44、ALDH1）、肿瘤异质性与侵袭行为，以及药物反应与耐药性。

（4）胆汁淤积、药物性肝损伤与病毒性肝炎模型

本综述展示了多类应用场景，包括由胆汁酸导致的胆管上皮损伤模型；对乙酰氨基酚（acetaminophen, APAP）等药物诱导的药物性肝损伤（drug-induced liver injury, DILI）模型；以及可用于研究病毒进入、复制与宿主反应的多平台系统。

人源化类器官和微流控组织芯片技术的交叉融合正在推动体外肝模型的快速发展。其中，人源化类器官主要优势如下：

（1）基因背景完全来源于人体，更具转化价值

与动物模型相比，人源类器官维持了人类特异性的药物代谢酶（如CYP450家族）、药物转运特性，以及细胞对损伤与炎症刺激的“人类反应模式”，使其在预测人体药物反应和研究疾病机制方面具有显著优势。

（2）可精准建模遗传与代谢性肝病

得益于诱导多能干细胞的可扩增性，研究者可对其进行CRISPR精准编辑，再进一步诱导形成肝类器官。例如，UGT1A1基因敲除类器官能够真实复现胆红素代谢障碍、SN-38及APAP代谢缺陷等临床表型。单碱基突变模型可用于研究罕见遗传性肝病及其对药物反应的影响。这些人源类器官成为遗传病发病机制、药物敏感性与基因治疗安全性评估的关键平台。

（3）可模拟复杂疾病微环境与空间分区

最新类器官技术能够在单一三维结构中重建肝代谢分区（periportal–pericentral）、免疫微环境以及胆道微结构。这些能力使类器官成为研究MASLD、代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（metabolic dysfunction–associated steatohepatitis, MASH）、胆汁淤积、纤维化以及肝癌等疾病的全新平台。

（4）类器官可用于移植与再生医学前沿

人胆管类器官可在体外灌流肝脏中促使受损胆管再上皮化，恢复胆道功能。这提示类器官已从“模型”迈向“潜在治疗性组织”，具有潜在的临床移植价值。

如果说类器官是“生物自组织”的微型肝，那么肝芯片则是通过工程设计对人体肝脏的结构、力学特征、流体环境以及多细胞排列进行精准重建。本综述指出，一个成熟的肝芯片通常包含肝细胞、肝窦内皮细胞（liver sinusoidal endothelial cell, LSEC）、Kupffer细胞以及HSC细胞，并通过微流控技术模拟肝窦血流、氧梯度、营养流动与代谢分区。人源化肝芯片的关键优势如下：

（1）可模拟“活体肝脏”最关键的三大要素

① 微血管灌流（perfusion）；

② 代谢分区（zonation）在芯片中可重建Z1–Z3氧梯度；

③ 多细胞空间排列可实现类似肝小叶的六角结构，模块间互相沟通。

（2）毒性预测能力大幅超越动物模型

肝芯片对小分子药物诱导DILI的预测表现突出高敏感性和特异性，这意味着许多失败于临床的药物，可能在芯片早期就能被准确预测。

（3）可进行“动态疾病建模”

综述列举了多种可在芯片中复现的疾病状态：

人源化类器官与肝芯片正在为临床提供一个前所未有的“体外观察窗口”，让我们能够追踪肝病从脂毒性到炎症、从纤维化到肝癌的关键转折点。例如，这些模型揭示了MASLD向MASH发展的驱动力，展示ECM硬度如何决定纤维化的可逆性，也真实还原了肿瘤免疫逃逸的空间结构。这些过去难以在患者体内直接观察的过程，如今能够被系统化、动态化地模拟，为疾病机制研究和治疗策略优化提供了坚实基础。

同时，类器官、精准切片肝组织与肝芯片正逐步成为“体外临床试验”的潜在平台。它们可利用患者来源组织预测药物反应，评估胆道修复能力，或为遗传代谢病筛选精准治疗方案；肝芯片在药物性肝损伤预测中表现出的高敏感度，更为药物研发带来了新的安全筛查体系，有望成为临床前go/no-go决策的重要依据。

更重要的是，这些可标准化、可扩展的技术正在推动肝病研究的真正转化：不仅加速了新药研发，也打开了未来细胞治疗和再生医学的大门，例如血管化类器官、免疫整合诱导多能干细胞肝模型，以及接近“可移植微型肝”的工程体系。随着这些模型逐渐融入临床实践，肝病诊疗正在从经验医学迈向精准医学，一个以人源模型驱动的“实验室直达临床”时代正在到来。

随着人源化类器官与肝芯片技术的日益成熟，我们正以前所未有的方式贴近真实人体生物学。这不仅能够更清晰地解析肝病的发生与进展机制，也让药物研发、个体化治疗和再生医学迈向更具可实现的未来。这些技术正在成为连接实验室与临床的关键桥梁，为肝病精准医学开启新的可能。

Rao Q, Wang L, Tacke F, et al. Engineering liver disease models in vitro: emerging trends and innovations. eGastroenterology 2025;0:e100279. doi:10.1136/ egastro-2025-100279