《Annual Review of Pathology-Mechanisms of Disease》：Zonation, Zonation, Zonation: The Real Estate of the Liver
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本文系统综述了肝脏代谢分区化（Zonation）的研究进展，揭示了肝小叶内从门静脉三联体到中央静脉的细胞功能、基因表达和代谢通路的空间梯度分布模式。它超越了传统肝细胞三分区的概念，借助空间多组学技术，阐述了分区化作为“传送带”实现分工协作、损伤区隔化（injury compartmentalization）和代谢通路分步排列的核心作用，并深入探讨了Wnt/β-catenin等关键信号通路的调控机制，及其在肝脏稳态、再生（regeneration）、代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD）、酒精性肝病（ALD）、胆管病和肝细胞癌（HCC）等病理过程中的重要意义。
肝脏分区化：功能、调控与疾病
引言
肝脏是执行代谢稳态、解毒和蛋白质合成等多种功能的核心器官。尽管外观均一，但作为主要功能细胞的肝细胞在小叶内展现出明确的空间身份，即代谢分区化或简称分区化。经典模型将肝小叶沿门静脉到中央静脉的轴向分为三个区：1区（门静脉周）、2区（中区）和3区（中央静脉周）。这种分区并非离散的边界，而是基因和蛋白表达的连续梯度，为肝脏复杂的功能“地产”提供了一个坐标系。近年来，空间转录组学等多组学技术的出现，极大地深化了我们对分区化的理解，揭示了其不仅存在于肝细胞，也广泛存在于内皮细胞、星状细胞、库普弗细胞等所有非实质细胞中，并且与多种肝脏疾病的病理生理过程密切相关。
损伤区隔化、分工协作与传送带
分区化带来了显著的功能优势，主要体现在分工协作、损伤区隔化和代谢通路的“传送带”式分步排列。
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外源性物质代谢：细胞色素P450（CYP）酶（如CYP2E1、CYP1A2、CYP3A4）主要在3区表达，负责将许多药物（如对乙酰氨基酚）转化为活性或毒性代谢物。这使得药物性肝损伤常局限于3区，未受损区的肝细胞得以增殖修复，实现了损伤的区隔化。
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氨解毒：氨主要通过门静脉进入肝脏。尿素循环酶（如CPS1）主要在1区表达，将氨转化为尿素。作为“安全网”，谷氨酰胺合成酶（GS）则严格限于中央静脉周围的1-2层肝细胞（3区），将残余的氨转化为谷氨酰胺，防止其进入体循环。这体现了1区与3区在氨处理上的精细分工。
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胆汁酸合成：胆汁酸合成酶（如Cyp7a1, Cyp27a1）的表达呈现从3区到1区的梯度。研究表明，胆汁酸合成可能以“传送带”方式进行，即3区肝细胞启动合成，中间体沿肝细胞向1区传递并逐步修饰，最终在1区结合并排入胆管。
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脂质代谢：传统认为脂肪酸β-氧化主要发生在氧含量较高的1区，而脂肪生成（DNL）主要在3区。然而，空间多组学研究给出了更复杂的图景：线粒体β-氧化可能偏向1区，而过氧化物酶体β-氧化则明显偏向3区。DNL的分区模式仍存争议，可能受物种、饮食状态和性别等因素影响。
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糖代谢：基于关键酶活性，糖异生传统上被归于1区，糖酵解归于3区。近期空间转录组研究支持糖异生的1区倾向，但对糖酵解在3区富集的证据目前有限。
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铁稳态：铁代谢的关键调节因子铁调素（Hepcidin）的表达在2区达到峰值，使其成为重要的中区标志物，提示2区在铁稳态调控中可能扮演核心角色。
肝脏分区化的调控
多种信号通路和微环境因素共同调控分区化格局。
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Wnt/β-catenin通路：这是调控代谢分区化，尤其是3区特征的核心通路。中央静脉及3区内皮细胞分泌的WNT2、WNT9b，以及星状细胞分泌的R-spondin 3（RSPO3），激活邻近肝细胞上的Wnt/β-catenin信号，诱导GS、CYP2E1等3区标志基因表达。β-连环蛋白与TCF/LEF家族转录因子（如TCF4）结合调控靶基因。相反，TCF3则在1区富集，可能通过抑制靶基因来限定3区范围。
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R-spondins：RSPO3是Wnt/β-catenin信号的激动剂。内皮细胞和星状细胞来源的RSPO3形成从中央静脉到门静脉的浓度梯度，与肝细胞上的LGR4/5受体结合，增强Wnt信号，对维持3区特征至关重要。
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Hedgehog通路：有证据表明Hedgehog信号（如SHH）集中在1区，可能与Wnt/β-catenin信号相互拮抗，共同维持分区平衡。在肝再生中，Indian hedgehog（IHH）表达上调。
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Hippo通路：Hippo通路效应因子YAP在门静脉周肝细胞表达，可能抑制Wnt/β-catenin信号，限制3区特征扩张，但其在稳态分区中的确切作用仍需进一步验证。
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氧梯度：从门静脉到中央静脉存在显著的氧分压下降梯度（约30 mm Hg）。尽管缺氧诱导因子（HIF）等可能参与代谢适应，但氧梯度是否及如何直接指令分区化，特别是是否通过影响Wnt/β-catenin通路，仍是未解之谜。
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其他因素：来自门静脉的激素（如胰高血糖素）梯度、生长因子等也可能参与分区化的调节。
分区化与再生
肝脏具有强大的再生能力。再生是一个分区化的过程，且各区的贡献比例在不同条件下动态变化。
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增殖细胞的分区化：在稳态更新和部分肝切除（PH）后，所有区都参与增殖，但2区肝细胞的贡献似乎更为突出。在特异性损伤模型中（如DDC损伤1区，CCl4或对乙酰氨基酚损伤3区），损伤区细胞减少，而未受损区（尤其是2区）细胞会优先增殖以补充损失。这提示2区可能作为一个相对受保护的“增殖储备库”，在多种损伤后发挥关键修复作用。
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再生的调控：Wnt/β-catenin信号对协调全小叶的肝细胞增殖至关重要。PH后，内皮细胞Wnt配体表达上调，激活肝细胞β-连环蛋白，诱导其靶标细胞周期蛋白D1（Cyclin D1）的表达，驱动细胞周期进展。肝细胞特异性缺失β-连环蛋白会导致Cyclin D1上调延迟，增殖受阻，尤其是3区肝细胞增殖严重依赖Wnt信号，而1区和2区细胞则可通过胰岛素/mTOR等通路进行代偿性增殖。靶向激活Wnt/β-catenin通路的小分子激动剂在临床前模型中显示出促进再生的治疗潜力。
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再生的治疗机遇：靶向Wnt/β-catenin、Hedgehog等发育相关再生通路，为开发促肝脏再生疗法提供了新思路。
非实质细胞的分区化
空间多组学揭示肝脏非实质细胞同样存在显著的分区化异质性。
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肝星状细胞（HSC）：静息态HSC可分为门静脉相关HSC（PaHSC，表达Ngfr等）和中央静脉相关HSC（CaHSC，表达Rspo3等）。它们对损伤的反应不同：CCl4诱导的3区损伤主要激活CaHSC转化为肌成纤维细胞；而胆管结扎诱导的胆汁淤积性损伤则可能主要招募门静脉周围成纤维细胞或PaHSC。此外，HSC是RSPO3的重要来源，通过TGFβ梯度调控其分区表达，进而影响肝细胞分区。
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肝血窦内皮细胞（SEC）：约35%-67%的SEC基因表达具有分区性。1区SEC富集血管生成相关基因，而2/3区SEC富集清除和免疫相关通路。SEC是WNT2、WNT9b、RSPO3等分区化关键因子的主要分泌细胞。在损伤中，3区SEC更容易发生毛细血管化并上调细胞外基质基因。ALK1、HEG等受体可能上调SEC的Wnt表达，而NOTCH信号则起抑制作用。
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库普弗细胞（KC）：KC是肝脏定居的巨噬细胞，传统上认为主要分布在1区，负责清除门静脉来源的细菌产物，维持免疫耐受。其空间异质性目前仍有争议。在疾病状态下，单核细胞衍生的巨噬细胞会浸润并定位在损伤区域（如胆管病中的门静脉周围，MASLD中的脂肪变性区域），发挥促炎或保护性作用。
病理生理学
分区化紊乱既是肝脏疾病的结果，也参与其发生发展。
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MASLD/MASH：早期成人MASLD的脂肪变性通常始于3区。疾病伴随分区化改变，如小鼠模型中可见3区基因扩张（中心化）。Wnt/β-catenin信号驱动3区脂肪变性，但也在疾病进展中可能起保护作用。从脂肪变性到脂肪性肝炎的转变涉及门静脉炎症浸润，可能与Hippo/YAP通路激活及巨噬细胞募集有关。空间脂质组学显示MASH肝脏中脂质分区模式被破坏。
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酒精性肝病（ALD）：乙醇主要由3区的CYP2E1代谢。长期酒精摄入会抑制Wnt/β-catenin信号，加剧肝损伤。患者肝细胞显示代谢能力改变和去分化迹象，出现表达胆管细胞标志物（如SOX9）的“肝-胆”细胞，可能参与免疫细胞招募和疾病进展。
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胆管病：在原发性硬化性胆管炎（PSC）、原发性胆汁性胆管炎（PBC）等疾病中，门静脉区域可见独特的巨噬细胞亚群（瘢痕相关巨噬细胞）和T细胞扩增，并与胆管细胞、HSC、SEC存在细胞间通讯。患者肝脏中门静脉周肝细胞减少，出现缺乏分区标志的中间区肝细胞，这些细胞上调胆管细胞相关基因和免疫通路基因，提示肝细胞发生重编程。
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肝细胞癌（HCC）：约50%的HCC存在β-连环蛋白激活突变。这类HCC通常高表达3区标志物（如GS），代谢上依赖脂肪酸氧化和胆汁酸代谢，而非糖酵解（Warburg效应），构成了一个分化较好的HCC亚型（如Hoshida分型中的S3型）。理解HCC的“分区化”特征，有助于根据其代谢弱点开发靶向疗法。
结论
总之，肝脏分区化是一个复杂而精细的空间组织系统。三分区模型是有用的概念框架，但生物学上分区是连续的功能梯度，如同一个基于坐标系的“代谢地产”生态系统。每个细胞通过整合旁分泌、内分泌等多种信号，感知自身在小叶内的相对位置，进而激活特定的转录程序。Wnt/β-catenin等关键通路构成了这一坐标系的“导航信号”。空间多组学技术正在引领肝脏生物学研究的新时代。深入研究分区化调控机制，以及其在稳态、再生和疾病中的作用，将为通过恢复分区化、调控分区化相关通路或靶向分区化代谢过程来治疗多种肝脏疾病开辟新的治疗途径。
