工程化模拟肝组织微环境增强干细胞来源肝样细胞功能的研究

Stem cells can be used as ideal seed cells for bioartificial liver support system. And it is very important to enhance the function of stem cell-derived hepatocyte-like cells (HLCs) for the application of bioartificial liver support system and the improvement of therapeutic effects. Based on the present studies, in order to further enhance the function of HLCs, this project investigates the synergetic effect of three important component factors in hepatic tissue microenvironment in vivo, including cell-extracellular matrix (ECM) interaction, cell-cell interaction and mass transfer, on the function of human embryonic stem cell (hESC)-derived HLCs (hESC-HLCs) by means of three-dimensional (3D) biomimetic scaffolds, multiple cell co-culture and bioreactor system according to the structure characteristics in hepatic tissue microenvionment in vivo. And under the guidance of these rules, this project will develop an engineered mimicking hepatic tissue microenvironment system after the optimization to further enhance the function of hESC-HLCs.This mimicking hepatic tissue microenvironment system used in this project can provide a cellular growth microenvironment similar to native hepatic tissues in vivo with high mass transfer efficiency, standardized operation and large-scaled amplification, which is helpful to generate lots of hESC-HLCs with better function. Therefore, this project can provide new strategies and methods for the research on the hepatic differentiation of stem cells or the clinical application of bioartificial liver system.

干细胞可作为生物人工肝支持系统的种子细胞，提高干细胞来源肝样细胞的功能对于推动生物人工肝系统应用及提高临床治疗效果具有十分重要的意义。在已有研究的基础上，为了进一步提高肝样细胞的功能，本项目在人胚胎干细胞来源肝祖细胞分化为肝样细胞这一关键阶段，依据体内肝组织微环境的主要构成特点，利用三维仿生支架、多细胞共培养及生物反应器，系统研究体内肝组织微环境三个主要构成因素，即细胞与细胞外基质之间相互作用、细胞之间相互作用及质量传递，对肝样细胞合成、转化等功能的协同作用规律，并在这些规律的指导下建立优化的工程化模拟肝组织微环境体系以增强肝样细胞的功能。本项目拟构建的工程化模拟肝组织微环境体系不仅较好地体现了体内肝组织微环境的主要构成特点，同时还具有传质效率高、可标准化操作及可规模化放大等优点，有希望大量产生高功能肝样细胞。从而，本项目为干细胞的肝分化研究及生物人工肝应用等提供了新思路与新技术。

目前干细胞来源肝样细胞的功能较低，增强肝分化细胞的合成及转化功能对于推动生物人工肝系统应用及改善临床治疗效果具有十分重要的意义。本项目根据在体肝组织微环境的构成特点，从细胞-细胞外基质之间相互作用、细胞-细胞之间相互作用及质量传递的角度出发构建了工程化模拟肝组织微环境诱导干细胞体外向肝样细胞分化的新体系，研究了肝组织细胞外基质成分、肝细胞共培养及流体流动对肝样细胞功能的协同作用规律，并通过系统优化来增强肝样细胞的合成及转化功能。本项目主要取得了以下重要进展：①建立了人外周血单个核细胞来源iPS细胞制备、扩增、检测及冻存的整套技术体系，开展了干细胞质量控制研究，获得了较优的干细胞培养条件，建立并优化了干细胞三维培养体系；②依据在体肝组织细胞外基质的特点，设计并制备了多肽、蛋白、多糖及肝组织脱细胞基质修饰的多种三维仿生支架，通过调控支架组成及关键制备条件实现了对支架结构、降解、机械、传质效率及生物学活性的控制，获得了优化的肝细胞培养条件，维持了其生理功能；③借助三维仿生支架、磁分离细胞共培养及生物反应器系统构建了模拟肝组织微环境培养体系，利用此体系在干细胞来源肝祖细胞向肝细胞分化的这一关键阶段促进肝分化，提高了肝分化细胞白蛋白、细胞色素P450酶的表达，并且提高了其体内修复肝组织损伤的能力。总之，本项目通过在体外建立能够模拟在体肝组织微环境的新体系来增强干细胞的肝分化，并提高其功能，从而为再生医学提供了制备高功能肝细胞的新策略和新技术。