肝病是世界上最大的健康問題之一，也是死亡的主要原因。在德國，至少有500萬患者患有脂肪肝、肝癌或肝炎。盡管肝髒對人類健康具有極大的重要性，但是健康和患病組織中肝細胞類型的多樣性以及相關的分子和細胞過程尚未得到充分研究。

        如今，在一項新的研究中，來自德國弗賴堡大學、馬克斯普朗克免疫生物學與表觀遺傳學研究所和法國斯特拉斯堡大學的研究人員提供了人類肝髒組織的完整細胞圖譜。通過使用所謂的單細胞RNA測序技術，馬克斯普朗克免疫生物學與表觀遺傳學研究所的Dominic Grün團隊與斯特拉斯堡大學的Thomas F. Baumert團隊成功地構建出健康人肝髒中細胞群體的詳細圖譜。基於對來自9名人類供者的1萬個細胞的分析，這種細胞圖譜顯示了所有重要的肝細胞類型，包括肝實質細胞(hepatocyte，肝髒中的主要代謝細胞)、血管內皮細胞、肝髒駐留巨噬細胞和其他的免疫細胞類型，以及膽管細胞和肝上皮祖細胞。利用這些數據，人們可以以前所未有的分辨率捕獲細胞類型和細胞狀態的多樣性，並了解它們在發育過程中或疾病進展過程中如何發生變化。相關研究結果於2019年7月10日在線發表在Nature期刊上，論文標題為“A human liver cell atlas reveals heterogeneity and epithelial progenitors”。

        細胞指紋

        這些研究人員還在所謂的相同細胞類型的個體細胞中發現了驚人的多樣性。他們發現了肝實質細胞、血管內皮細胞和巨噬細胞的新亞型：盡管它們的形態外觀幾乎沒有差異，但是它們具有不同的基因表達譜。這些發現是由於實驗和計算單細胞分析方法取得的重大進展而得以實現的，這些方法能夠在高分辨率下檢測細胞。

        在單細胞RNA測序中，將待研究的器官組織解離成單個細胞;然後將這些細胞分離並分別測序。這種測序用於確定每個基因產生的多少個mRNA分子存在於細胞中。Grün解釋道，“mRNA將儲存在DNA中的藍圖傳送到蛋白製造工廠中。通過測量細胞在某個時間點中存在哪些RNA分子，我們能夠鑒定出哪些基因是有活性的。這為我們提供了一種指紋來讓我們全麵了解每個細胞的本質。這能夠讓我們理解細胞執行哪些功能，它如何受到調節，以及當疾病發生時會發生什麼。”

        以這種方式獲得的數據不僅極其廣泛，而且非常複雜，這是因為必須同時定量確定和解釋數千個細胞中數千個基因產生的RNA分子。近年來，Grün開發了量身定製的算法，這有助於他和他的團隊分析這些不同的細胞類型並了解它們的發育途徑。

        鑒定出肝細胞的祖細胞

        利用這些細胞指紋，Grün團隊還鑒定出一個膽管細胞亞群的之前未知的特性。膽道貫穿整個肝髒，將膽汁輸送到膽囊。論文第一作者Nadim Aizarani解釋道，“我們的數據顯示這個罕見亞群中的細胞是前體細胞或祖細胞。它們不僅能夠形成類器官(即幹細胞的一種顯著特征)，而且還有潛力分化為不同的細胞類型。”當在培養基中培養時，這些祖細胞要麼分化成肝實質細胞，要麼分化為膽管細胞。Grün團隊確信這種祖細胞群體在肝髒再生中起著重要作用，並且還可能參與肝髒疾病或腫瘤的產生。

        癌症患者的重要參考數據

        因此，細胞圖譜和單細胞RNA測序方法在癌症治療中具有巨大的潛力。當前分析患病組織(比如腫瘤組織)的方法僅提供了整個組織樣本中的活性基因水平的平均值，因此僅提供了腫瘤分子譜的平均值。Grün 解釋道，“稀有細胞類型甚至單個細胞的貢獻在這個平均值中都會丟失。不過，可能恰恰是這些少量的細胞決定著組織是否保持健康或發生癌變。”

        但是，另一方麵，單細胞測序捕獲待檢樣品中每個健康或患病細胞的分子特征。通過與健康組織的參考數據進行比較，科學家們能夠靶向腫瘤細胞的致病性分子特性，並且可能有助於在未來開發出改進的治療方案。

        這些研究人員在他們的最新研究中證實這種針對人類肝髒的細胞圖譜將成為肝癌研究的重要參考數據庫。他們將來自這種細胞圖譜的健康組織數據與來自肝細胞癌(最常見的原發性肝癌形式)的細胞進行了比較。通過這種比較，他們得出一些結論，比如鑒定出新的腫瘤細胞標誌物，以及腫瘤中不同細胞類型的基因活性擾動模式。Grün說道，“我認為利用單細胞測序研究癌症將有助於進一步提高診斷水平，最終進一步改善腫瘤治療。在未來，我們將不隻是能夠發現腫瘤中不同細胞類型之間可能存在的相互作用。隨著疾病的進展，還可以觀察到這些相互作用。”

        這些研究人員相信，他們構建出的人類肝髒的細胞圖譜和開發出的方法已在生物醫學中奠定了重要的基礎，這將在分子水平上推進對肝病的研究和理解，從而可能在未來開發出新的肝病治療策略。