iPS细胞技术新成果！Biomaterials：二维培养肝类器官，解锁药物研发新“肝”线

在医药研发领域，肝细胞模型的选择对药物代谢和毒性评估起着关键作用。原代人肝细胞（PHHs）虽被视为金标准，但它在体外无法增殖，且功能易衰退。人诱导多能干细胞（iPS）来源的肝细胞样细胞（HLCs）虽有潜力，却存在功能弱、分化时间长和难以大量制备的问题。

近日，一项发表于Biomaterials的研究Two-dimensionally cultured functional hepatocytes generated from human induced pluripotent stem cell-derived hepatic organoids for pharmaceutical research带来了新的解决方案。该研究利用人iPS细胞来源的肝类器官（iHOs），通过优化培养条件和开发二维（2D）培养方案，获得了功能强大的iHO-Heps肝细胞，有望在药物研发中发挥重要作用。

研究人员在建立和培养iHOs时，对不同培养基进行了筛选。结果发现，Hep-Medium培养基更适合iHOs的生长。在Hep-Medium培养基中，iHOs在18天内可增殖约105倍，比Chol-Medium培养基快100倍。同时，Hep-Medium培养基能显著提高iHOs中大多数肝细胞标记基因的表达水平，且这种效果至少能维持到第10代。此外，研究还表明，从终末分化（第25天）的HLCs建立的iHOs，最适合生成具有更高肝功能的肝细胞。

图 1. 肝类器官建立和培养的适宜培养基

为使iHOs更广泛地应用于药物研发，研究人员对其进行了2D培养。经过11天的逐步培养，添加多种生长因子和化学物质，得到的iHO-Heps呈现出典型的肝细胞多边形形态。iHO-Heps的肝基因表达和CYP3A4活性显著高于在Hep-Medium或Diff-Medium中培养的细胞。与HLCs、iHOs和PHHs相比，iHO-Heps中HNF4α和CYP酶等基因的表达水平相当或更高，即使iHOs传代15次后，仍能产生高功能的2D肝细胞。而且，iHO-Heps中钠牛磺胆酸共转运多肽（NTCP）基因表达恢复，白蛋白（ALB）基因表达也有所恢复，虽然仍低于HLCs，但已显示出良好的应用潜力。

在评估iHO-Heps的肝功能时，发现其具备多项重要功能。iHO-Heps能进行糖原储存，可有效摄取和释放吲哚菁绿（ICG），还能分泌白蛋白和尿素。此外，通过特定培养和检测方法，证实了iHO-Heps具有形成胆小管的能力。进一步研究发现，从第25天分化细胞建立的iHO-Heps，在CYP3A4活性、白蛋白分泌和尿素分泌等方面表现最佳。

图 2. iHO-Heps的肝功能

在药物代谢和响应能力方面，iHO-Heps表现出色。与HLCs相比，iHO-Heps的多种CYP酶活性大幅提高，其中CYP3A4和CYP2C19的活性比PHHs还高。在对肝毒性药物的响应实验中，iHO-Heps与PHHs对不同药物的敏感性相似，表明iHO-Heps可用于研究多种药物的代谢和响应。

图 3. iHO-Heps的药物代谢能力和药物反应性

RNA-seq分析显示，iHOs的建立激活了细胞增殖相关通路，而2D培养则使细胞从增殖状态转变为代谢状态，激活了药物代谢等相关通路。

总体而言，这项研究成功克服了HLCs的局限性，建立了优化的iHOs培养方案，通过2D培养获得的iHO-Heps具备多种关键肝功能和强大的药物代谢能力。这一成果为药物研发提供了更可靠的肝细胞模型，有助于更准确地评估药物代谢和毒性。同时，也为研究肝脏疾病发病机制和个性化药物治疗提供了新的工具。尽管目前仍有进一步优化的空间，但该研究无疑为医药研发领域带来了重要突破，有望推动未来医药研究的快速发展。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Inui J, Ueyama-Toba Y, Imamura C, Nagai W, Asano R, Mizuguchi H. Two-dimensionally cultured functional hepatocytes generated from human induced pluripotent stem cell-derived hepatic organoids for pharmaceutical research. Biomaterials. Published online January 28, 2025. doi:10.1016/j.biomaterials.2025.123148