Sartorius & Science Prize亚军研究-构建更好的胆管

在肝脏内，胆管以管道网络形式分布，可将肝脏分泌的胆汁输送到肠道。在胆道疾病中，胆汁运输障碍会导致肝脏内毒性胆汁淤积、肝脏损伤及永久性瘢痕 （肝硬化），最终只能通过肝移植来治疗。实际上，胆道疾病（胆管病）是导致儿童肝移植的首要病因（70%），占成人肝移植病因的三分之一。

虽然此类疾病影响巨大，但我们对于胆道疾病发病机制的了解仍十分有限，一方面由于缺乏有效的实验模型，另一方面因为胆管细胞（胆管上皮细胞）体外培养非常困难。此外，目前治疗方法有限，既缺少特效药物，也缺乏手术重建或替换病灶胆管所需的正常细胞和组织。我的研究重点就是解决这些难题。

具体而言，我的研究目标是开发一套适合人胆管上皮细胞体外生长的系统；利用这些细胞构建胆管病体外模型；并利用这种体外模型筛选、测试和发现新的胆道疾病治疗药物。我还尝试利用健康胆管细胞构建生物工程胆管，并在动物模型中证明其能够用于胆道的手术重建或替换。

培养人胆管上皮细胞

人胆管上皮细胞的培养面临两大阻碍，即：不通过手术方式获取胆管组织，以及胆管上皮细胞原代培养过程中功能会丧失。为了解决组织获取的问题，我设计了一套从人诱导性多能性干细胞 (hIPSC) 获取胆管上皮细胞的操作流程，而hIPSC可方便地从患者皮肤样本中获得。

为了在体外培养中保留人胆管上皮细胞的功能和特性，我采用三维培养方式将细胞培养成类器官，后者呈现中心有空腔的囊状或管状结构 (1, 2)。类器官围绕管腔逐渐发育形成的结构类似于天然的胆道，这种hIPSC来源的胆管上皮细胞功能更好，生长更快。该方法也首次实现了利用切除的胆管或胆囊大量培养人原代胆管上皮细胞 (3)。

为了证明这种类器官平台既具有培养优势，又能保留正常的胆管上皮细胞功能，我将hIPSC来源的胆管上皮细胞或原代培养物与人体内胆管细胞进行了生理和功能比较。实验结果表明，类器官培养获得的胆管上皮细胞与体内来源的人胆管细胞类似，是目前为止最为准确的体外胆管上皮细胞平台。

构建胆道疾病体外模型

我假设，胆道疾病患者的胆管上皮细胞在体外培养时可重现这些疾病的关键特征。通过采用Alagille综合征 （AGS）、多囊性肝病 （PLD） 和囊性纤维化 （CF） 患者的胆管上皮细胞来验证这一设想。无一例外，上述每种疾病的表型都在实验中得以重现 （AGS，缺乏管腔；PLD，形成囊肿；CF，类器官管腔氯转运缺陷），从而为上述疾病提供了首个体外胆道模型 (1)。

药物筛选

随后，我利用构建的疾病模型对已知药物（奥曲肽）和新药化合物进行筛选，结果显示，一种最初用于治疗肺囊性纤维化的实验性药物（VX809），也可用于预防肝囊性纤维化 (1)。这一发现极为重要，因为VX809已经进入2期临床试验，有望很快对肝囊性纤维化治疗进行检验。该结果是体外筛选胆道疾病药物的首批成功应用。

生物工程胆管的构建和移植

在某些情况下，例如胆管闭锁，也是儿童肝移植的首要病因，胆道系统的共同出口（胆总管）缺失，唯一的治疗方法就是手术。此时，使用生物工程胆管可以作为肝移植外的另一种选择。

为了实现这一目标，我开发了一种使用正常胆管上皮细胞构建生物工程胆管和胆管组织的方法 (3)。这种生物工程器官保留了人体胆管的构造、结构特性、标志物和功能（碱性磷酸酶和γ-谷酰基转移酶活性）。

将这种生物工程胆管移植到免疫缺陷小鼠体内，成功替代了原本的胆管。此外，接受人工胆管移植的小鼠肝功能正常，生存期延长。据我所知，这是首次在胆管系统中应用器官工程，也是使用类器官构建生物工程器官的首例报道。

结论

本研究开发的一系列工具在胆道疾病领域具有独特的转化应用。我已证实，胆管上皮细胞类器官系统构建了首个体外胆道疾病模型。这些模型可加深我们对于疾病发生机制的了解，并且可进行技术转移，让该领域工作的多个研究组获益。此外，该系统搭建了胆道疾病药物筛选的首个平台，并且我已从原理上验证，该系统在肝移植作为唯一治疗手段的胆道疾病领域展现出新药开发潜力。

最后，通过构建工程胆管，我从原理上验证了再生医学可以作为胆道疾病的一种治疗方法，并且通过开发出适用于多种器官和组织再生的技术，推动器官再生领域的发展。

参考文献

1.F. Sampaziotis et al., Nat. Biotech 33, 845 (2015).

2.F. Sampaziotis et al., Nat. Protocols 12, 814 (2017).

3.F. Sampaziotis et al., Nat. Med. 23, 954 (2017).

本文由赛多利斯翻译，阅读英文原文请点击：http://science.sciencemag.org/content/359/6380/1113.2.full

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