综述：构建用于肝脏再生的仿生微环境

本综述系统阐述了肝脏再生领域的最新进展，重点介绍了如何通过组织工程技术构建仿生微环境来模拟肝脏天然结构并支持肝细胞功能。文章深入探讨了肝脏损伤的病理特征（如MASLD、ALD、ALF、肝硬化及HCC）及再生关键调控机制（细胞可塑性、ECM重塑、免疫互作），并评述了前沿仿生策略（3D细胞共培养、脱细胞ECM水凝胶、生物打印、动态培养系统如中空纤维/流化床/微载体生物反应器及肝脏芯片）。尽管取得显著进展，但在优化微环境保真度、确保临床可扩展性及转化实验室突破方面仍面临挑战。

　　

肝脏作为人体最重要的器官之一，承担着代谢、解毒、蛋白质合成及糖原胆固醇储存等关键生理功能。其独特的解剖和生理结构使其能高效执行复杂任务。然而，在面对慢性肝病、肝硬化或急性肝衰竭(ALF)时，肝脏的自我修复和再生能力严重受限。当前治疗方法如肝移植和药物干预面临供体短缺、高成本、免疫排斥及功能恢复不足等挑战。因此，构建仿生微环境成为有前景的解决方案，旨在重现肝脏天然结构以支持肝细胞生长、增殖和功能维持。

肝脏损伤的主要病理特征

肝脏损伤涉及多种病理状况。肝炎病毒感染（A至E型）主要特征为肝组织急性炎症病变，包括肝细胞变性、坏死及炎性细胞浸润。慢性乙型肝炎(HBV)感染表现为门管区显著炎症反应，大量淋巴细胞等炎性细胞浸润，可进展为肝硬化或肝细胞癌(HCC)。代谢功能障碍相关脂肪肝病(MASLD)以肝细胞内脂肪堆积、细胞死亡、炎症和纤维化为特征，长期可导致肝纤维化、肝硬化乃至癌症。在MASLD进展中，肝微环境改变促使胆管细胞与肝细胞间转分化，凸显细胞可塑性在疾病中的作用。酒精性肝病(ALD)中，乙醇代谢产生有害副产物如活性氧(ROS)，诱发氧化应激相关副作用，减少NAD⁺/NADH比率并损害线粒体脂肪酸氧化，诱导肝脂肪变性。严重酒精性肝炎时，肝细胞可能去分化呈现胆管样表型，与较差临床结局相关。ALF则由急性肝细胞损伤、凋亡及再生能力下降导致，其微环境受细胞外基质(ECM)变化、炎性介质释放及肠道-肝脏轴失调影响。持续性肝脏炎症驱动病理性ECM积累，促进纤维化并损害肝修复。肝硬化发展中，晚期糖基化终末产物(AGEs)介导的ECM交联增加基质刚性，影响细胞-基质相互作用，促进巨噬细胞活化及异常免疫应答。肝细胞癌(HCC)的发生与损伤-修复循环中的基因组不稳定性、代谢能力下降及致癌物积累密切相关，肿瘤免疫微环境中免疫细胞（如LSECs、KCs、T细胞）与癌细胞间复杂互作调节免疫监视与逃逸。

肝脏再生的关键调控机制

肝脏再生能力依赖于多种细胞类型和分子网络间的精密协同互动。肝脏以肝小叶为基本功能单位，中央静脉位于中心，门管区位于周边。肝实质主要由肝细胞组成，负责关键生物过程；胆管上皮细胞(BECs)则负责胆汁修饰和运输。成人肝脏具有显著再生潜力，如部分肝切除后剩余肝叶能在一周内恢复原体积。急性损伤如ALF时，肝细胞和BECs迅速增殖修复；但在慢性肝病中，其增殖能力逐渐受到抑制。非实质细胞如肝星状细胞(HSCs)、肝窦内皮细胞(LSECs)和库普弗细胞(KCs)在再生中发挥重要作用：ALF时巨噬细胞清除坏死碎片并极化为促再生表型；慢性损伤中巨噬细胞亚型平衡向促炎偏移，激活HSCs导致ECM沉积。肝细胞更新在稳态下极少，损伤后则快速进入细胞周期。Wnt/β-连环蛋白信号作为核心调节因子，协调再生反应。谱系追踪研究表明，肝细胞自我更新可能均匀分布或集中于特定亚群（如AXIN2阳性门静脉周围肝细胞），但机制尚存争议。

仿生微环境构建策略

传统二维(2D)细胞培养系统难以模拟体内微环境复杂性，导致细胞去极化、凋亡增加及功能下降。近年来，仿生三维(3D)细胞共培养系统发展出支架基和无支架方法。支架基方法利用天然或合成基质提供结构支持，调控细胞行为；无支架方法则允许细胞自组织成球体或类器官。为克服扩散限制，仿生设计引入多孔材料和微通道架构模拟血管化网络。例如，生物打印系统可制备肝小叶样微组织，肝细胞与内皮细胞形成类小叶结构，维持高细胞活性和功能表达。分层反蛋白石多孔支架通过微流控法制备，确保营养传输并支持高密度细胞组装。同时，血管化微环境构建至关重要：采用干细胞分化形成原始血管网络，或通过3D生物打印成熟细胞构建嵌入式血管结构。功能化血管系统可激活整合素-Akt信号通路，提升肝细胞功能和存活率。

脱细胞材料作为支架显示出良好生物相容性和仿生特性。全器官脱细胞ECM(dECM)支架保留器官原始3D结构及血管网络，作为再细胞化模板；溶解性dECM水凝胶则通过胃蛋白酶消化制备，易于操作和注射。例如，肝源性dECM水凝胶增强成熟肝细胞在纤维化组织中的植入和功能；共价交联dECM水凝胶可调节力学性能至生理和纤维化范围，显著提升肝细胞代谢输出、白蛋白分泌及CYP450酶活性。应用纳米氧化石墨烯(NGO)颗粒修饰脱细胞肝支架改善生物力学性能，延长移植存活时间并提升治疗效果。

仿生细胞培养的进展

生物工程细胞培养通过重现天然细胞微环境克服2D培养局限。肝微生理系统(HBL-MPS)旨在模拟肝小叶结构，包括氧梯度、分区化、血管化和细胞信号。关键技术包括微流体装置（提供生理相关剪切应力和流体动力学）及生物打印与工程基质材料（控制空间分布构建有序3D结构）。个性化患者来源结构化MPS和类器官MPS平台支持患者特异性药物测试、疾病建模和精准医疗。

体外动态培养系统对维持肝特异性功能至关重要。生物人工肝(BAL)系统将功能性肝细胞纳入生物反应器，实现解毒、代谢和合成功能。中空纤维生物反应器模拟毛细血管网络，实现高效物质交换；但其微孔结构易堵塞。流化床生物反应器(FBB)为封装肝细胞或球体提供动态悬浮3D培养环境，优化版本如定向流改性流化床生物反应器(DMFBB)降低剪切应力，改善传质效率。微载体生物反应器则通过细胞贴附多孔载体颗粒提供大表面积，但长期稳定运行面临挑战。新兴技术仿生肝小叶结构，以半透微管为中心，周围环绕iPSC来源肝细胞的功能微粒，结合微流控技术批量生产均一细胞载体，提升系统性能。

肝脏芯片(Liver-on-a-chip)系统重建肝脏最小功能单元，实现高保真生理模拟。细胞来源包括原代肝细胞（金标准）、转化肝细胞系（如HepG2球体）及iPSC衍生肝细胞（具患者特异性）。设备设计涵盖平板微系统、芯片基微流体平台（多采用PDMS）及多器官耦合系统。人工智能(AI)辅助优化通过深度学习算法提升病变检测、组织病理学分析和类器官培养分析效率，如基于亮场图像的AI模型实现无标记肝毒性筛查。

潜在应用与未来挑战

工程化肝脏模型为药物筛选、疾病建模和个性化医疗提供平台。肝脏芯片疾病模型成功模拟ALD恢复与恶化、HBV完整生命周期及HCC肿瘤-基质互作。在临床应用方面，生物人工肝系统有望为肝衰竭患者提供临时功能支持。然而，未来挑战包括：准确模拟肝损伤多因素病因及纤维化不同阶段；优化仿生微环境构建策略，实现长期功能维持及血管化；开发可扩展动态培养系统并推动大规模生产与临床转化。跨学科合作与严格临床验证是突破当前局限的关键。