利用小分子化合物诱导胃肠道上皮细胞直接转换为肝细胞的研究

End-stage liver disease caused by liver metabolic disorders or acute liver failure is one of the most health-threatening diseases in the world. The hepatocyte is the basic functional unit of the liver. Cell-based therapies that include hepatocyte transplantation, engineered hepatic tissue constructs, and the bioartificial liver, may potentially provide effective treatment for many liver diseases. However, functional hepatocyte is a severely limited resource given the shortage of donor livers. Recent progresses in cell reprogramming demonstrated that diverse somatic cell types could be directly converted to stem cells or other mature functional cell types. Moreover, small molecule-based reprogramming provided a safe and efficient reprogramming strategy due to its stability, controllability and safety. This project aims at the lineage reprogramming of hepatocytes from human somatic cells using only small molecules. The close lineage relationship among endodermal organs enables cells in the gastrointestinal tract to be logical candidates for reprogramming to become hepatocytes. Besides, tissue-specific mesenchymal cells provides supportive signals for cell reprogramming. In this project, we would like to convert human gastrointestinal epithelial cells to hepatocytes using small molecules along with the tissue-specific mesenchymal feeders. Our findings will provide new cell sources for the production of functional hepatocytes to meet the potential needs of various clinical applications and basic studies.

由病毒、药物等导致的终末期肝病是严重危害人类健康的重大疾病。肝细胞是肝脏的基本组成和功能单位，以肝细胞为基础的细胞替代治疗以及生物人工肝和组织工程肝脏等辅助治疗设备已被广泛地应用于终末期肝病的临床治疗中，但严重受限于功能性肝细胞的来源问题。近年来，细胞重编程技术实现了将一种成熟细胞向另一种功能性细胞的直接转化，而且使用稳定、可控、安全的小分子化合物的诱导方式为细胞重编程提供了更为安全高效的新策略。基于我们前期研究，实现重编程的关键在于对起始细胞和饲养层细胞的选择，以及对小分子化合物的筛选。本项目将利用高内涵技术平台对小分子化合物进行高通量筛选，以与肝细胞发育同源的胃肠道上皮细胞作为起始细胞，在组织特异性基质细胞的支持作用下，建立小分子化合物诱导人胃肠道上皮细胞直接转换为肝细胞的重编程策略，并对肝细胞进行生物学特性分析和体内外功能评价，进而为功能性肝细胞提供更为安全高效的新型种子细胞来源。

肝细胞在肝细胞移植、组织工程肝及药物评价中具有重要的应用价值，然而原代肝细胞来源受限且增殖能力有限，亟需寻找新型肝细胞的来源。本项目根据谱系发育调控规律选择胃肠道上皮细胞作为重编程起始细胞，从胃肠道基质细胞、胎肝基质细胞等组织特异性基质细胞中筛选支持肝细胞重编程的饲养层细胞，并基于作用机理筛选小分子化合物，进而建立小分子化合物诱导胃肠道上皮细胞向肝细胞重编程的策略。我们通过建立胚胎干细胞向肝细胞的高效诱导体系，了解肝细胞发育分化特点。从临床手术切除的胃或十二指肠正常组织，利用机械消化法结合胶原酶消化法分离获得人胃上皮细胞和十二指肠上皮细胞，作为起始细胞；从胃粘膜下基质和胎肝组织中分离获得胃基质细胞和胎肝基质细胞，作为饲养层细胞。通过对小分子化合物和基质细胞的筛选，我们建立了将胃肠道上皮细胞转化为肝细胞的重编程体系：以胎肝基质细胞为饲养层细胞，将胃肠道上皮细胞用包含Bix01294、RG108、SB431542和VPA的小分子化合物组合处理10-12天，然后换为添加CHIR99021、Dihexa和Dexamethasone的培养条件诱导7-10天，通过分阶段诱导能够将胃肠道上皮细胞转化为肝细胞。对重编程获得肝细胞的生物学特性及功能进行鉴定，证实重编程获得的肝细胞表达肝细胞特异性基因和蛋白，且具备储存脂滴、糖原合成、摄取靛青绿、分泌白蛋白及药物代谢等典型的肝细胞生物学功能。本研究为成熟的功能性肝细胞提供一种新型的种子细胞来源，进而为小分子化合物诱导细胞重编程提供直接的理论和技术基础。