利用人诱导多能干细胞分化的肝样细胞构建人肝血窦芯片模型

作     者：范涵 

作者单位：武汉大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈璞

授予年度：2020年

学科分类：1002[医学-临床医学] 10[医学] 

主      题：微流控 肝血窦器官芯片 体外模型 人诱导性多能干细胞 肝样细胞 

摘      要：肝脏是人体最大的实体器官,在维持机体稳态中起着至关重要的作用。肝血窦是肝脏中的一种具有窗孔结构的毛细血管,肝血窦这种特殊的结构不仅有利于氧气和营养物质的交换,也使得肝实质细胞暴露在毒性物质和感染物质之中。因此,肝血窦也成为了多种肝脏疾病的主要靶标。然而,由于缺乏适当的研究模型,肝血窦相关的研究仍具有挑战性。例如,动物模型虽然在生物医学研究中被广泛应用,但是具有物种差异的问题。而二维(Two-dimensional,2D)的细胞模型虽然具有低成本、易操作的特点,但不能精准的反映组织器官在体内的结构和功能。此外,对细胞进行流动培养是模拟活体器官病理生理学特征的关键。因此,建立一种高保真的模型是目前生物医学发展的迫切需求。与此同时,肝脏中行使主要功能的细胞为肝实质细胞。在体外研究中,原代人肝实质细胞(Primary human hepatocytes,PHHs)是研究肝脏病理生理学的有效工具,但由于PHHs来源有限,很难被广泛应用。因此,在体外人诱导多能干细胞诱导分化为肝样细胞(Human-induced pluripotent stem cells-derived hepatocyte-like cells,hiPSC-HLCs)成为了一种理想的替代。基于这些背景,本论文利用微加工技术构建了一种人肝血窦器官芯片,该芯片可重塑肝脏的结构、功能以及微环境。肝血窦芯片装置包含了两个聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)细胞培养腔室,两个腔室由一个厚度为12μm的聚酯(Polyethylene terephthalate,PET)多孔膜分隔开来,最后由一对亚克力(polymethyl methacrylate,PMMA)夹具将整个装置密封。芯片上层通道加有库普弗细胞和内皮细胞用以模拟肝血窦毛细血管腔;芯片下层通道铺有hiPSC-HLCs。hiPSC-HLCs作为一种人肝实质细胞的无限供应源,解决了目前人源的肝实质细胞短缺的问题。并且,hiPSC-HLCs的使用降低了人肝实质细胞批次间差异性的问题。更为重要的是,本实验采用的分化培养基成分明确,避免了未知的物质的影响。总之,本实验利用功能成熟的hiPSC-HLCs构建了一个人肝血窦器官芯片3D培养平台。通过对培养基、蛋白因子和细胞接种密度的优化,模拟健康人肝血窦的结构和功能。这个体外的人肝血窦器官芯片体系可以为生理相关肝模型提供实验平台,并可能以高通量方式在肝病研究和药物评估中广泛应用。