肝脏脱细胞基质凝胶改善仿肝板培养肝细胞极性及功能的机制研究

One of the key issues on biological artificial liver research is how to keep the hepatocytes cultivated in the bioreactor in a stable phenotype and differentiation potential. Emerging as a key regulator of the process of retaining the differentiation level and funtion of hepatocytes, repolarization of hepatocytes have been shown to be the breakthrough in constructing effective bioreactor. This program is supposed to assemble the hydrogels derived from liver decellularized matrices, hepatocytes ,endothelial cells to mimicking acini hepatis,which models the orientation of hepatocytes and their interaction with nonparenchymal cells and extracellular matrices in vivo, and perform culturing under three-dimension condition. Considering of the diversity of extracellular matrices and construction in different tisue and organ,we focus on the difference of effect of mimicking acini hepatis composed of different hydrogels on hepatocyte polarity, further more, revealing the efficacy and superiority of three-dimension mimicking acini hepatis composed by liver decellularized matrices and performing a preliminary inquiry to the mechanism. We will mark a new epoch in constructing mimicking acini hepatis, which can stimulate the internal enviroment deeply, enrich the mechanism on reconstrution and repolarization of hepatocyte. We will obtain much important original technology, exploit a new accession to efficient bioartificial liver reactor.

生物人工肝研究的关键问题之一就是如何保证生物反应器中肝细胞长期、稳定的细胞表型和分化功能。基于细胞极性在维持肝细胞分化水平及功能中的关键作用，重建并维持肝细胞极性成为构建高效生物反应器的突破点。课题拟借鉴在体肝细胞的排列方式，以及其与非实质细胞、细胞外基质相互作用的仿生学原理，通过微流控芯片技术，将肝脏脱细胞基质凝胶、肝细胞及内皮细胞组装成仿肝板微型肝组织并进行三维培养。鉴于组织、器官细胞外基质成分及结构差异性，课题重点对比研究不同凝胶材料所构建仿肝板结构对于肝细胞极性及功能变化的影响，揭示肝脏脱细胞化基质材料对于仿肝板结构三维培养时细胞极性重建及维持的作用及优势，并对其作用机制进行初步探究。本项目能够在仿肝板微型肝脏组织的构建方面得到进一步突破，使之更接近体内环境，进一步丰富体外重建及维持肝细胞极性的机制。本项目研究能形成重要的原创性技术成果，为构建高效的生物人工肝反应器提供一条新途径。

生物人工肝研究的关键问题之一就是如何保证生物反应器中肝细胞长期、稳定的细胞表型和分化功能。基于细胞极性在维持肝细胞分化水平及功能中的关键作用，重建并维持肝细胞极性成为构建高效生物反应器的突破点。课题借鉴在体肝细胞的排列方式，以及其与非实质细胞、细胞外基质相互作用的仿生学原理，通过微流控芯片技术，将肝脏脱细胞基质凝胶、肝细胞及内皮细胞组装成仿肝板微型肝组织并进行三维培养。按照项目计划书研究计划，首先，课题借鉴在体肝细胞的排列方式，以及其与非实质细胞、细胞外基质相互作用的仿生学原理，通过文献调研及测量计算进一步调整仿生的微流控芯片，借助传统软光刻和再铸模技术，以聚二甲硅氧烷（PDMS）为原料完成芯片制作，将凝胶、肝细胞及内皮细胞组装成仿肝板微型肝组织并进行3D培养，实验证实：随着培养时间的延长，仿肝板3D培养组在肝细胞活力、细胞功能，肝细胞极性蛋白表达情况以及超微结构方面均优于对照组，证实仿肝板三维培养模式能够有效地改善体外培养肝细胞的极性及功能。另外，课题组进一步优化脱细胞化基质凝胶的制作流程，通过改善脱细胞肝脏支架基质凝胶的物理学特性，使之能够符合仿肝板三维培养细胞外基质的特性要求。鉴于组织、器官细胞外基质成分及结构差异性，我们进一步引入脱细胞化肝脏支架基质凝胶作为仿肝板培养中的非细胞成分，同时对比不同凝胶材料（海藻酸盐和脱细胞粘膜下基质凝胶）所构建仿肝板结构对于肝细胞极性及功能变化的影响，结果发现肝脏脱细胞化支架基质凝胶作为细胞外基质成分对于维持肝脏细胞极性及功能的效果最佳，进一步说明恢复体外肝细胞培养的成分微环境同结构微环境一样是改善肝细胞体外培养模式的关键因素。本项目研究得出结论能够进一步证实基于脱细胞化肝脏支架基质凝胶对于恢复体外肝细胞的极性及功能的天然优势，在仿肝板微型肝脏组织的构建方面得到进一步突破，使之更接近体内环境，为今后构建高效的生物人工肝反应器提供一条新的途径。