基于胚胎干细胞定向分化的“微肝组织”在体外药物毒性检测中的应用

作为新药开发中候选药物体外毒性／代谢检测的"金标准"，基于肝脏细胞的体外模型一直面临因肝脏捐献者不足导致的肝脏细胞来源短缺问题，成为大规模新药筛选的瓶颈。干细胞领域的最新进展使由胚胎干细胞分化成肝脏细胞成为可能，但目前分化效果和分化后肝功能的长期维持还不理想。本研究计划旨在构建有利于胚胎干细胞分化为肝细胞及其长期培养的"微环境"为解决上述挑战提供方案。首先，通过微加工技术制备含有生物活性多肽RGD/半乳糖的三维水凝胶（"微胶"），并作为新型体外培养体系诱导人类胚胎干细胞分化成肝细胞，形成"微肝组织"，以获取可持续供给并具有完备功能的人类肝细胞源。其次，通过与"成纤维细胞微组织"的共培养进一步促进长期体外培养中肝功能的维持，以解决传统两维环境培养下肝功能迅速削弱的问题。最后，在一个高效、简易的"微三明治阵列"芯片上实现基于"微肝组织"的药物毒性检测，以验证该体外药物测试模型的功效。

本项目基于胚胎干细胞高效定向分化的“微肝组织”实现了体外药物毒性和代谢的检测和筛选。项目进行的四年中，主要取得了以下四方面的阶段性成果：一是建立稳定的人胚胎干细胞的培养和分化系统；二是构建了一系列先进的高通量三维微图形化微组织阵列平台，实现细胞立体多层团簇培养；三是此先进技术平台显著提高了人胚胎干细胞向类肝细胞的分化，降低了胎肝蛋白AFP的表达，形成更为成熟的微肝组织；四是进行了药物对乙酰氨基酚和阿霉素的肝毒性和肝代谢研究，验证了三维培养能够实现更为仿生的药物反应，为进一步高通量药物筛选奠定了强大平台和坚实基础。本项目开发的人类胚胎干细胞分化的微肝组织阵列得到了世界著名药厂Merck制药公司的认可，进行联合开发和转化，有望未来大规模进行药物的肝脏毒性和代谢筛选。项目产生的成果发表了8篇高水平论文（申请人为通讯作者），其中人类胚胎干细胞微肝组织高效分化作为著名杂志Small封面发表，已授权一项中国专利和申请一项国际PCT专利（申请人为第一发明人）。3D微组织高通量培养和药物筛选平台作为知名杂志Lab chip杂志两篇封面文章发表，并申请2项中国专利。项目完成过程中建立和涉及的相关技术、细胞和动物平台发表了10篇高水平论文（申请人为通讯作者），申请了2项专利（申请人为第一发明人）。