摘要：肝衰竭在无法进行肝移植的情况下，发病率死亡率均较高。人工肝支持系统，特别是
生物人工肝，则可促进肝衰竭恢复或作为肝移植的过渡辅助。生物人工肝中含肝细胞的生物
反应器可提供生物转化和肝脏的合成功能。所使用的肝细胞既可以为人肝细胞也可为异种肝
细胞（动物源性）。病人的血液或血浆循环通过生物反应器，由肝细胞代谢去除毒素并产生
10 所需化学成分后，再返回病人体内。随着人类及猪肝细胞长期培养增殖的成功，以及具有充
分生物相容性的微载体的发展，单位体积内培养肝细胞的密度在当前已经可以满足生物人工
肝系统的需要。以生长在微载体上的肝细胞填充而成的中空纤维生物反应器已得到广泛使
用。在不久的将来，生物人工肝支持系统成为肝衰竭治疗的有效方法，具有良好的前景。
关键词：组织工程；生物人工肝；微载体；生物反应器；肝细胞
Recent developments in bioartificial liver based on the
microcarrier technology
Abstract: Liver failure is associated with high morbidity and mortality without transplantation.
Artificial liver support systems, especially the bioartificial livers, are the possible alternative with
an idea to bridge the time to transplantation and/or recovery from liver failure. Bioartificial livers
25 have bioreactors containing hepatocytes to provide both biotransformation and synthetic liver
functions. The hepatocytes could be allogeneic or xenogeneic (animal origin). The patient's blood
or plasma circulates through the bioreactors and after clearance of toxic compounds and addition
of synthesized products via metabolism in hepatocytes, is returned to the patient. With the
successful long-term propagation and culturing of human and pig hepatocytes, and the
30 development of adequate biocompatible microcarrier modules, it is now possible to achieve
sufficient density of hepatocytes per unit volume to develop bioartificial liver systems. The
hollow-fiber bioreactor which is filled with hepatocytes growing on microcarriers has been widely
used. The development of the bioartifical liver support system provides particularly appealing
prospects as a pragmatic approach for future treatment of liver failure.
35 Keywords: tissue engineering; bioartificial liver; microcarriers; bioreactor; hepatocytes
0 引言
肝功能衰竭是一种死亡率很高的疾病，特别是急性肝功能衰竭，其病程发展快，伴随有
多种并发症，并可能导致多脏器衰竭。其中较为严重的并发症，如脑水肿和肝性昏厥是造成
40 其高致死率的主要原因[1]。肝移植是治疗这一疾病的有效办法，但往往受到肝脏来源短缺的
限制，导致相当一部分患者在等待肝源的过程中死亡。如果能以人工方法替代或部分替代肝
功能，给以短暂支持，则可帮助自体肝细胞再生，促进功能恢复或作为肝移植的过渡辅助。
普遍认为，只有完整的肝细胞才能具备肝脏的解毒和生物转化功能，并可防止肝性脑病、肝
昏迷和脑水肿的发生。因此，在各种体外人工肝辅助方法中，基于细胞功能构建的生物人工
肝(bioartificial li 45 ver，BAL)是较为有效的。生物人工肝系统一般由反应器和细胞材料两大部
分组成，前者为细胞成分提供生长、代谢场所，后者为BAL 提供特异性代谢功能。其基本
原理是将体外培养增殖的肝细胞置于体外循环装置(生物反应器)中，患者的血浆流过生物反
应器时，通过容器内的纤维半透膜或直接与肝细胞之间进行物质交换，从而达到体外肝功能
支持的目的。在大量的动物试验证实了生物人工肝的安全性和有效性之后，其临床治疗试验
50 也已经在国内外开展，研究结果表明生物人工肝可显著提高患者存活率。绝大多数的试验结
果，包括临床及生化分析结果都支持生物人工肝系统的有效性。对装置设计的改进，特别是
以人类肝细胞替代动物肝细胞用于生物人工肝构建，对其发展具有重要意义，将能够降低免
疫反应和避免感染动物源性疾病的风险，使生物人工肝系统更加完善[2]。
1 生物人工肝的特点及其用于肝衰竭治疗的研究
55 生物人工肝系统是将离体的活性肝细胞团放置或继续培养于体外生物反应器中，当患者
血液或血浆流经反应器时，通过半透膜或直接接触的方式与培养的肝细胞进行物质交换，其
中的肝细胞发挥清除毒素和中间代谢产物、参与生物合成和生物转化及分泌具有促进肝细胞
生长的活性物质等功能，从而达到替代肝脏功能的目的。已报道的生物人工肝系统有很多，
其中有一些已经进入临床试验阶段，如：Vitagen 体外肝脏辅助系统 (ELAD)[3]，Circe 生物
60 医学肝辅助系统[4]，TECA混合人工肝支持系统(HALSS)[5]，Excorp 医药公司生物人工肝支
持系统(BLSS)[6]，辐向流动生物反应器(RFB)[7]，混合肝脏支持系统(LSS)[8]，生物人工肝支
持系统(BHS)[9]和阿姆斯特丹学院医药学中心-生物人工肝(AMC-BAL)[10]。
在提出构建生物人工肝之前，临床上针对肝衰竭患者有一些治疗方法，包括非生物人工
肝和药物治疗等，其效果普遍难以令人满意。原因在于肝衰竭患者进行肝移植过渡和肝脏自
65 我修复过程中，想要保持体内稳态，就要求人工肝或药物等治疗方法提供全面多样的功能支
持以替代肝脏的作用。显然不含有细胞的非生物人工肝是无法满足这一要求的，因此生物人
工肝(BAL)的研究越来越成为一个热点。
Kjaergard 等[11]对比分析了生物人工肝与普通药物疗法在治疗肝功能衰竭上的效果。尽
管在降低急性肝功能衰竭死亡率上，二者的治疗效果无明显区别，但生物人工肝可显著降低
70 急性转慢性肝功能衰竭死亡率(达到33%)，体现出其在治疗上的优势。
Yasushi 等[12]以肝脏血供应阻断操作，进行猪急性肝功能衰竭造模，分组对比生物人工
肝和常用的人工肝方法(连续血液透析进行血浆交换的方法)的治疗效果。实验所用生物人工
肝由附着生长肝细胞的微载体填充入中空纤维中所构成。结果显示，与对照组相比，生物人
工肝和常用的人工肝方法均能延长实验动物生存时间，在消除血氨方面二者作用相似。但是
75 与常用方法去除全部氨基酸不同，采用生物人工肝治疗可选择性的消除有毒性的芳香氨基
酸，保留有利于个体生存的支链氨基酸。其作用方式与天然器官更为相近。
Iwata 等[13]通过分析肝衰竭治疗过程中药物动力学参数的变化，对比生物人工肝与血液
透析结合血浆置换两种方法的治疗效果，重点考察了解毒能力和血浆蛋白供应能力。肝衰竭
时，肠内产生的多种有毒化合物会蓄积在血液中，激素类物质也会因浓度过高而产生毒性，
80 这些内源性物质都需要有效地进行代谢。透析法可快速将上述毒性化合物几乎全部去除，而
生物人工肝的代谢能力与其所含肝细胞数量相关，临床上显示含少量肝细胞的生物人工肝系
统，其代谢效果不理想。蛋白合成能力也随生物人工肝所含肝细胞量的增加以及血液灌注速
度的增加而增强。Iwata 等[13]认为临床上出现生物人工肝治疗效果不理想的原因，主要是由
于所采用的生物人工肝技术在肝细胞数量和体外灌注速度上受到制约，从而无法替代肝脏移
85 植。
根据Park 等[14]的观点，认为传统的基于解毒功能构建的人工肝系统，因为其无法提供
必要的肝功能支持从而无法达到满意的治疗效果，而生物人工肝系统就能够弥补这一不足。
当然，我们不能忽视由于人类肝细胞来源短缺，和使用动物细胞用于临床研究所产生的一些
问题，但以中空纤维反应器构建生物人工肝已经被大量研究，并初步说明了其具有增强治疗
90 效果的作用。随着干细胞技术的进一步发展，当足够数量人类肝细胞用于生物人工肝系统成
为可能时，新一代的生物人工肝将会出现，并提供更为全面的治疗功能。
在生物人工肝设计中除了进一步以人类肝细胞替代动物源细胞外，设法弥补现有生物人
工肝系统缺乏胆汁分泌功能的缺点是一个重要的课题。理论上说，将非生物人工肝系统，如
白蛋白透析系统与生物人工肝相结合，可使其功能更加完善。
95 2 微载体技术在生物人工肝中的应用
2.1 微载体附着培养肝细胞用于生物人工肝
微载体这一概念是由van Wezel 在1967 年提出的。他使用降胆葡胺A-50 微珠作为微载
体，成功实现了多种不同细胞系，人类二倍体细胞以及兔肾脏原代细胞等的大量增殖。试验
显示，采用这一微载体可克服兔胚胎表皮细胞和人类二倍体胚胎肺细胞无法进行均相培养的
100 缺点，并进一步用于病毒的增殖研究[15]。
经过40 多年的技术改进，微载体已发展成为一种广泛应用于生物医学领域的重要技术
工具。使用微载体对不同种类细胞进行培养，例如干细胞培养，有利于在有限空间内高效扩
增细胞，促进细胞分化和其功能的正常表达。对于一些较难再生的组织，采用微载体培养技
术是一种可行的解决方法。微载体技术常用于不同种类组织细胞的扩增分化，在体外对组织
105 细胞功能的测定，以及作为组织器官恢复和再生的辅助工具。其应用领域广泛，包括骨、软
骨、皮肤、血管、神经、肝脏以及脂肪组织等，具有非常高的技术价值和临床应用潜力。
肝脏具有五大功能，即生物合成、代谢、解毒、分泌胆汁、凝血，因此生物人工肝支持
系统的构建是一项相当复杂的工程，其核心装置为生物反应器及具有生物转化和代谢功能的
高活性肝细胞。不论采用的肝细胞是何类型，都应保证其具有方便使用的特性和足够的数量，
110 并且细胞间形成聚集体以促进其功能表达。采用微载体培养肝细胞恰好能满足上述条件，因
此被广泛应用，为生物人工肝提供了有力的技术支持。
GAO 等[16]在Cytodex-3 微载体上进行人肝细胞系CL-1 的高密度培养试验，并对其生长
增殖情况和细胞特异性功能指标(包括白蛋白合成，尿素合成以及药物地西泮的转化)进行测
定。结果显示，试验组细胞培养产率达到未使用微载体进行培养的对照组的49.3 倍。白蛋
115 白合成，尿素合成以及地西泮转化指标分别为对照组的39.8 倍，41.6 倍和33.3 倍，说明
Cytodex-3 微载体用于CL-1 细胞系培养可获得良好的生物学功能，从而作为生物人工肝材
料应用。
在微载体细胞培养技术中，为了有利于细胞的生长与代谢，要求微载体有适当的密度和
一定的弹性，以保证在一定速度的搅拌下，使微载体能悬浮在培养基中的同时避免对细胞的
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