基于干细胞的组织工程化肝脏构建及其在药物安全性评价中应用的基础研究

Drug-induced liver injury (DILI) is the main cause of lethal adverse drug reactions and the most common reason for withdrawal of new drugs from the market which often causes significant economic losses. How to predict potential DILI using reasonable and efficient in vitro and in vivo models is a considerable challenge faced by the pharmaceutical industries. With the development of stem cell biology, materials science and biological manufacturing (e.g. cell printing and rapid melding) technology, it displays a broad prospect in the evaluation of drug metabolism using tissue-engineered liver (TEL) which maintains the normal architechture and function of a liver. However, several important scientific issues have to be solved before its successful application, which include the source and biological function of seeding cells, the vascularization and cellularization of the biological scaffolds. In this project, we will integrate new theories and key multi-disciplinary techniques such as stem cell biology, tissue engineering, drug metabolism, toxicology and experimental zoology, prepare a whole liver scaffold with a novel "4-step" decellularization strategy, revascularization with sinusoidal endothelial cells from human fetal liver, recellularization with ESC/iPSCs-derived hepatic lineage cells and then construct a funcational TEL with particular shape and normal liver lobule structure. Combining the high-throughput drug-screening technique of LC-MS/MS, we can investigate drug metabolism, drug-drug interaction and toxicology using the in vitro and in vivo model with TEL, thus providing new insights in the safety evaluation of new drugs.

药物肝损伤是致死性药物不良反应发生和新药撤市造成重大经济损失的主要原因，如何采用合理、有效的体内外模型预测潜在的药物肝毒性是制药业面临的严峻科学挑战。随着干细胞生物学、材料学和生物制造技术的快速发展，构建具有正常肝脏复杂结构和功能的组织工程肝脏(TEL)，用于药物代谢评价显示出广阔的前景。然而，种子细胞来源及生物学功能，支架材料血管化及细胞在支架内功能性整合是TEL构建亟须解决的难题。本项目整合干细胞生物学、组织工程学、药物代谢与毒理学、实验动物学等学科新理论，系统集成多项关键技术，以"鸡尾酒"续惯法诱导人ESC/iPSCs获得的肝系细胞为种子细胞，以全肝脱细胞技术获得生物支架，构建具有特定形状、完整血管/肝脏结构和良好生物学功能的TEL，结合药物研发早期LC-MS/MS高通量筛选先进技术，开展药物代谢、药物-药物相互作用及毒理学研究，为突破传统的新药安全性评价模式提供新思路和有益借鉴。

1. 项目背景.药物肝损伤（drug induced liver injury, DILI）占所有药物不良反应的9.5%，是致死性药物不良反应发生的首要原因，62%的新药撤市缘于DILI，肝脏的生物安全性是决定新药研发成败的第一要素，采用合理、有效的模型预测药物-药物相互作用及潜在DILI是制药领域面临的严峻科学挑战。随着干细胞生物学、材料学和生物制造技术的快速发展，构建具有正常肝脏复杂结构和功能的组织工程肝脏，用于药物代谢评价显示出广阔的前景。.2. 主要研究内容.本项目整合干细胞生物学、组织工程学、药物代谢与毒理学、实验动物学等学科新理论，系统集成多项关键技术，以“鸡尾酒”续惯法诱导人ESC/iPSCs 获得的肝系细胞为种子细胞，以全肝脱细胞技术获得生物支架，构建具有特定形状、完整血管/肝脏结构和良好生物学功能的组织工程肝脏，结合药物研发早期LC-MS/MS 高通量筛选先进技术，开展药物代谢、药物-药物相互作用及毒理学研究。.3. 重要结果、关键数据及其科学意义.以人ESCs 或谱系重编程获得的内胚层祖细胞为种子细胞，根据肝脏体内发育分化规律，利用分步诱导策略，从ECM 组合、可溶性小分子和细胞因子组合，以及其他细胞分化所需要的微量元素等条件入手，建立了高效的体外肝向诱导分化系统；诱导分化获得的肝细胞样细胞具有CYP3A4、CYP2C9、CYP2C19、CYP2D6及CYP1A2的代谢功能，具有较高的氨代谢能力。将肝细胞经循环灌注至再血管化脱细胞肝脏支架，可见细胞均匀分布至整个肝脏。搭建了组织工程肝脏的三维培养体系，再血管化和再细胞化的组织工程肝脏可以在此体系中培养。对10余种药物进行了高通量筛选，可以真实反映药物的肝毒性以及可能引发肝毒性的机制，为突破传统的新药安全性评价模式提供了新思路和有益借鉴。