背景：
我们对胆汁淤积性肝病发病机制的认识仍然有限，部分原因是在体外捕获引起该病发病机制的多种因素的挑战。组织工程可以通过将细胞、材料和制造策略结合到动态建模平台中来解决这一挑战，从而总结胆管疾病的多方面病因。
简介：
年6月11日，来自英国剑桥大学干细胞研究所的FotiosSampaziotis教授课题组在JournalofHepatology（IF:18.）杂志上发表题为“Tissueengineeringofthebiliarytractandmodellingofcholestaticdisorders”的综述[1]。本文中，作者回顾了不同的胆道生物工程平台，及它们的优点和局限性；如何将它们应用于胆道疾病建模，并探索该领域的未来发展方向。
主要结果：
胆汁淤积症的病理生理学。
胆汁淤积是指胆汁从肝脏流向十二指肠的功能受损，其原因是肝细胞经小管膜的胆汁分泌受损(肝细胞胆汁淤积)或继发于胆管病理的胆汁流动受损。胆管上皮在胆汁淤积的发病机制中起关键作用。胆管损伤可导致屏障功能受损、胆汁穿透和管周组织的细胞毒性损伤。胆汁淤积是一种复杂的病理，包括多种细胞类型、基质改变和复杂的信号通路。概括这种复杂性仍然是胆汁淤积障碍建模的主要挑战之一。
图1：胆道的解剖与生理功能
胆道树的图示突出了三个具有不同生理作用的区域:小胆管、大胆管和胆囊。概述了排列在这些区域的细胞的形态和功能特征。肝内胆道和肝外胆道也有区别。
塑造胆汁淤积性肝病模型。
胆管疾病的多因素病因、疾病异质性和复杂的微环境对建模提出了重大挑战。这些挑战可以通过使用多种互补平台，捕获疾病的不同病理生理特征来解决。多细胞系统是概述发育性、炎症性和免疫介导性胆管疾病发病机制的最佳方法，涉及到胆管细胞与包括内皮细胞、免疫细胞和星状细胞在内的各种其他细胞类型之间的相互作用。使胆管细胞在可进入的管腔周围极化并维持管腔内稳态的平台可能是研究胆管细胞与胆汁相互作用的最佳系统，包括紧密连接在维持屏障功能中的作用和碳酸氢盐保护伞的保护作用，碳酸氢盐保护伞在胆汁淤积中起关键作用。胆道纤维化是许多胆管疾病的共同特征，因此包含生理相关细胞外基质(ECM)的模型对于解剖纤维闭塞性疾病(如PSC)是必不可少的。
图2：通过逐层定位实现肝样组织的3D生物打印。
(A)3D生物打印过程示意图。打印机头挤出生物墨水滴，生物墨水是细胞在水凝胶中的液体溶液。定位每个液滴以生成所需组织的横截面;然后，生物芯片通过逐层定位来制造所需的3D结构。
胆汁淤积和胆汁淤积障碍的实验模型。
体内模型。动物模型提供了一个极好的平台，以捕获复杂性胆道疾病和研究这些疾病的背景下的有机体。它们包含了胆汁淤积所涉及的全部细胞类型和不同系统(胆管细胞、基质、免疫细胞)，并提供了一个在生理环境中概括它们相互作用的良好系统；它们重现了结构和基质的变化，如纤维和狭窄形成，这些都很难在体外重现，并且它们能够捕获环境刺激对疾病表型的贡献，如微生物组或胆汁的组成。
体外模型。在体外系统也有巨大的潜力解剖复杂的疾病，如胆管疾病。它们比动物模型更具成本效益，允许高通量、大规模实验，并通过使单个细胞类型暴露于明确的刺激来促进机制研究。原代胆管细胞仍然是胆汁淤积症体外研究的金标准。然而，由于难以获得健康的人体组织，以及长期(超过10-15次)功能性胆管细胞2D培养的挑战，阻碍了它们的使用。3D培养可提高细胞活力及功能；导致细胞再现原生组织的关键特征。在这种情况下，胆管细胞自发地组织成包含中央管腔的三维结构，也可以被描述为类器官。重要的是，尽管“类器官”一词可广泛用于不同的环境，这里它指的是悬浮在细胞外基质中的任何自组织的3D细胞结构，这些细胞可来自于原代组织、成体干细胞或胚胎/诱导多能干细胞。
图3：芯片上器官的主要特征。
(A)单通道芯片由一个蜂窝状管道组成。腔内流动将入口/出口连接到泵上。可以独立取样腔内/腔外腔室，从而进行屏障功能的研究。(B)多通道芯片允许不同类型的细胞共培养。半透膜允许不同间室（对应于不同的器官，例如肠道和肝脏）之间的通信。(C)芯片通过细胞到基质(整合素)和细胞到细胞的相互作用(钙粘蛋白)促进细胞极化，并结合流体剪切应力刺激结的形成和极化。(D)将不同的芯片连接起来，以创建多芯片上的器官平台。(E)流量可通过外部或集成泵或无泵摇动系统施加。
胆汁淤积症模型的组织工程研究。
尽管其优势，动物模型仍然受到物种内变异的限制；而实验室平台在捕获体内器官复杂性的能力上受到限制。而组织工程则可以提供一个最佳的解决方案来克服这些挑战，并弥合体外和体内系统之间的差距。组织工程是指将细胞、生物材料和具有生物活性的分子组合成类似组织的功能结构。组织工程系统允许细胞装配成3D结构，模仿人体组织的微结构。这些结构可以嵌入多种类似人类细胞外矩阵(ECM)特性的基质中，如刚度和孔隙度。工程基质、3D打印和生物材料的进步已经克服了诸多困难，并提供了生物工程胆道组织的多次更新换代。
图4：生物工程胆管的产生和培养。
(A)用于胆管工程的不同支架基质示意图。合成的、生物的和去细胞化的基质包括它们与细胞的相互作用。(B)支架植入胆管细胞以产生生物工程胆管。(C)生物工程胆管在生物反应器中培养。灌注系统(如图4E所示)提供腔内流动，而不同的储层能够对腔内和腔外的含量进行独立采样。
今后的挑战和未来方向。
不同的组织工程方法为胆管疾病的研究提供了一系列的互补系统，每一个都有其独特的优势。新兴技术可以解决这些挑战，使组织工程模型的发展能够更好地概括胆汁淤积的关键病理生理学特征。事实上,最近开发出了具有高生物相容性的新型化学定义材料。此外，智能水凝胶可以在任何时候允许对矩阵组成和属性进行修改，例如光，不影响细胞的生存能力。在生物工程结构移植后，人工胆汁管的产生可能会进一步缩小工程平台和动物模型之间的差距。
图5：胆汁淤积症的组织工程:模型要求，当前平台和未来展望。
胆汁淤积需要被实验模型捕获的关键病理生理特征在内圈中得到体现。概括这些方面的组织工程平台用不同颜色的弧线表示。每个平台可以捕获不止一个特性。外圈描述了组织工程和胆汁淤积障碍性疾病建模的新兴技术和未来前景。
结论和展望：
胆汁淤积病是多因素的疾病，很难用单一的建模平台捕获。尽管如此，这个挑战可以通过使用一系列互补的平台来解决。组织工程通过填补单个细胞系统和动物研究之间的差距在实现这一目标中扮演着独特的角色。开发多个工程平台，各有其独特的优势。尽管许多这些系统的建模应用仍然受到技术限制，新兴技术有望克服这些问题，使组织工程模型成为未来胆汁淤积性肝病研究的必要工具。
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