肝臟作為藥物暴露的主要器官，在藥物的代謝和毒性過程中起著至關重要的作用。原代肝細胞（Primary Hepatocytes）具有完整的細胞特性和生理水平的酶和輔助因子，既包括膜結(jié)合酶【如細胞色素P450（Cytochrome P450）混合功能氧化酶，為滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的還原酶】，也包括胞質(zhì)酯酶，擁有肝臟中所有的代謝途徑。因此，原代肝細胞（Primary Hepatocytes）被廣泛認為是構(gòu)建體外肝臟模型的金標準，在藥物相互作用、藥物代謝和藥物毒性研究中受到研究者的青睞。因此，本文概述了基于原代肝細胞的二維（2D）和三維（3D）培養(yǎng)模型及其在藥物研發(fā)中的運用。

一、原代肝細胞分離

大多采用兩步膠原酶灌注法。較小動物可通過門靜脈或下腔靜脈進行肝臟灌注。較大動物通過肝葉或肝節(jié)段灌注。成功分離肝細胞的幾個關鍵因素：第一，無細胞毒性的膠原酶。第二，恰當?shù)南瘯r機。消化不足和消化過度都會損害肝細胞的產(chǎn)量和活力。第三，良好的肝臟狀況。肝細胞對缺血性損傷非常敏感。用于制備肝細胞的肝臟應迅速冷卻，以降低代謝速率防止代謝性缺氧和隨后的缺血。分離的原代肝細胞用于藥物研究的標準：1、實驗開始時活率> 80%，在整個實驗過程中活率下降< 20%；2、對2-3種已知上市藥物的代謝進行檢測，與文獻值相當；3、誘導實驗中典型誘導劑如利福平應使特定酶(CYP3A4)活性增加至少3倍；4、代謝和轉(zhuǎn)運體研究中，凍存肝細胞胞接種4-6 h后貼壁率>70%。

二、原代肝細胞2D培養(yǎng)

懸浮肝細胞（Suspension Hepatocytes）模型

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擁有完整的藥物代謝酶和輔助因子，可用于不同代謝清除途徑的研究。然而，懸浮肝細胞(Suspension Hepatocytes)的活率和藥物代謝酶活性隨著體外孵育時間增加會逐漸降低，限制其孵育時間最長為4小時，一般用于估計中、高清除速率藥物的清除。當清除速率小于20%時，不能準確確定清除值。傳統(tǒng)的懸浮肝細胞體外代謝研究模型不足以使慢代謝化合物產(chǎn)生足夠被檢測到的代謝反應，所以在預測慢代謝化合物的清除率及其代謝產(chǎn)物方面存在局限性。可采用懸浮肝細胞接力方法（圖1），孵育時間可延長至20小時甚至更長。

應用：小分子藥的酶活性和代謝穩(wěn)定性研究。

圖1. 懸浮肝細胞接力法轉(zhuǎn)移流程DRUG METAB DISPOS, 2012,40(9):1860–1865

貼壁肝細胞（Plateable Hepatocytes）模型

原代肝細胞2D培養(yǎng)于膠原蛋白包被的培養(yǎng)物表面。肝細胞呈現(xiàn)上皮形態(tài)，細胞核突出，常呈雙核狀。單一肝細胞貼壁培養(yǎng)的缺陷：1、細胞極性和功能發(fā)生改變；2、缺乏正常功能所需的其它相關細胞類型(即非實質(zhì)細胞)；3、無法提供足夠的營養(yǎng)和旁分泌因子以支持肝細胞執(zhí)行功能(如膽汁酸和血清蛋白的生物合成)。

應用：

★評價藥物-藥物相互作用:包括酶誘導、酶抑制和轉(zhuǎn)運體研究。首先，當藥物作為誘導劑時，可導致藥物代謝酶和轉(zhuǎn)運體表達增加。強效誘導劑可同時上調(diào)多個基因，如苯-巴比-妥誘導CYP2B6、CYP3A4、CYP2C9、UGT以及MRP2等多種轉(zhuǎn)運蛋白。其次，不同種屬肝細胞對誘導劑反應存在差異。如利福平對人和兔肝細胞是一種有效的誘導劑，但對大鼠肝細胞無誘導作用。最后，貼壁肝細胞（Plateable Hepatocytes）亞理想的鋪板密度可能導致P450的基礎表達降低，并人為增加誘導反應，如圖3所示，貼壁肝細胞在較小鋪板密度時CYP1A2、CYP2B6和CYP3A4的基礎活性都較低，卻有更強的誘導反應。因此需要健康、合適鋪板密度的肝細胞來獲得生理學相關的數(shù)據(jù)。

圖2.凍存人肝細胞鋪板密度與酶誘導的關系Current Drug Discovery Technologies, 2010, 7:188-198

★肝毒性評估：光鏡下觀察細胞形態(tài)、液泡和脂滴的聚集以及細胞的附著/脫落等形態(tài)學變化。檢測肝細胞壞死（谷草轉(zhuǎn)氨酶、乳酸脫氫酶和谷丙轉(zhuǎn)氨酶) 和凋亡（DNA斷裂）。對于細胞因子介導的細胞毒性，由于受鄰近的非實質(zhì)細胞如Kupffer、星狀和竇狀內(nèi)皮細胞釋放的物質(zhì)調(diào)控，單一貼壁培養(yǎng)的肝細胞不能預測毒性反應。

★ "接力法"用于慢代謝化合物清除率及其代謝產(chǎn)物研究: 貼壁肝細胞藥物代謝酶活性在貼壁培養(yǎng)24 h 后開始降低?？蓪①N壁肝細胞用含待測化合物的無血清培養(yǎng)基孵育24小時后，收集培養(yǎng)基混合后置于新貼壁培養(yǎng)的肝細胞（圖3）。

圖3. 貼壁肝細胞接力法轉(zhuǎn)移流程Drug Metabolism Letters, 2016,10: 3-15

★評估靶向肝細胞的小核酸藥的細胞攝取、內(nèi)吞、內(nèi)體逃逸以及對靶基因的沉默效果。

三明治培養(yǎng)模型

在體外通過在兩層膠原或Matrigel內(nèi)培養(yǎng)肝細胞可以重構(gòu)體內(nèi)結(jié)構(gòu)，稱為三明治培養(yǎng)。肝細胞培養(yǎng)在兩層凝膠-膠原之間(夾心結(jié)構(gòu))，可改善肝細胞的形態(tài)和活力，并在培養(yǎng)中維持較長時間的功能。此外，三明治式培養(yǎng)的肝細胞可重新恢復極性，允許基底外側(cè)和小管轉(zhuǎn)運體

的適當定位以及功能性膽管網(wǎng)絡的形成（圖4）。

圖4.人肝細胞三明治模型中轉(zhuǎn)運蛋白的極化表達Current Drug Discovery Technologies, 2010, 7, 188-198

應用：

★估計化合物的膽道排泄。

★評估內(nèi)源性和外源性化合物和代謝物的肝膽分布。

★估計代謝和轉(zhuǎn)運體介導的清除，構(gòu)建基于生理學的藥代動力學模型。

★研究肝細胞毒性，提供臨床藥物性肝損傷的機制。數(shù)據(jù)整合到系統(tǒng)藥理學模型中預測人類潛在的藥物性肝損傷。

三、原代肝細胞3D培養(yǎng)

球狀體（Spheroid）模型

通過超低粘附培養(yǎng)、懸滴培養(yǎng)、磁化細胞培養(yǎng)等技術（圖5），原代肝細胞可不依賴外部基質(zhì)，聚集形成直徑高達150-175µm的球狀團聚體。球狀體培養(yǎng)的一個優(yōu)點是，每個球體只需要1330-2000個細胞，與其它3D培養(yǎng)技術相比顯著減少。最近的一項研究表明原代肝細胞球狀體培養(yǎng)可持續(xù)5周，CYP酶活性在第8天到第35天之間幾乎沒有變化。一項蛋白質(zhì)組分析表明，與三明治培養(yǎng)相比，球形培養(yǎng)中負責藥物吸收、分布、代謝和排泄的酶能更好地保存14天。然而，肝臟比細胞團復雜得多。肝細胞的基底外側(cè)與血液接觸，在頂端側(cè)膽汁流出，這是復雜的肝小葉結(jié)構(gòu)的主要特征，目前還不能在球狀體模型中復制。

應用：

★慢代謝化合物清除率及其代謝產(chǎn)物研究。

★肝細胞毒性研究。

★評估靶向肝細胞的小核酸藥的細胞攝取、內(nèi)吞、內(nèi)體逃逸以及對靶基因的沉默效果。

圖5.球狀體培養(yǎng)方法

肝類器官（Liver Organoids）模型

對類器官定義的共識是:來源于干細胞、祖細胞或分化細胞的3D結(jié)構(gòu)，能夠在體外再現(xiàn)原生組織的某些功能和結(jié)構(gòu)，可有效地再現(xiàn)體內(nèi)微環(huán)境和細胞與細胞之間的相互作用。肝類器官已被確定為人類肝臟生物學研究的最-先進模型。

構(gòu)建肝類器官的細胞來源：

多能干細胞(PSCs)：胚胎干細胞(ESCs)和誘導多功能干細胞(iPSCs)具有高多能性、可塑性和無限增殖能力，在特定信號轉(zhuǎn)導因子的作用下分化為具有活性和功能的肝細胞樣細胞。然而，PSCs誘導的肝類器官可能發(fā)生表觀遺傳和遺傳畸變，在擴增過程中表現(xiàn)出染色體非整倍體改變。

應用：

★構(gòu)建遺傳性肝病模型

★構(gòu)建感染性肝病模型

★藥物細胞毒性

★移植和肝臟疾病研究。

肝組織來源細胞：包括膽管細胞和肝細胞。成熟肝細胞在特定環(huán)境中仍具有干細胞潛能和增殖能力。與PSCs誘導的類器官相比，原代組織來源的類器官更成熟，基因組更穩(wěn)定，在長期體外培養(yǎng)過程中保持了表型和遺傳穩(wěn)定性。然而，與胎兒人肝細胞或成年小鼠原代肝細胞相比，成熟人肝細胞類器官的長期增殖能力有限。到目前為止，成人肝細胞類器官的培養(yǎng)仍然具有挑戰(zhàn)性。

培養(yǎng)方法（圖6）：肝組織消化成單細胞，將Matrigel/細胞混合物接種在24孔板中，以形成圓頂狀結(jié)構(gòu)。細胞培養(yǎng)箱(37℃)中孵育15分鐘。凝固后加入特定培養(yǎng)基。大約14天后傳代。7-10天后，用分化培養(yǎng)基替換原來的培養(yǎng)基。

應用：

★肝毒性模型

★體外代謝紊亂研究。

★非酒精性脂肪肝疾病

★良性和惡性肝病的藥物開發(fā)

圖6. 組織源性肝類器官的培養(yǎng)和傳代過程Cell & Bioscience (2023) 13:197

球狀體培養(yǎng)與類器官培養(yǎng)比較

四、原代肝細胞共培養(yǎng)模型

2D原代肝細胞共培養(yǎng)模型

將兩種或兩種以上不同類型的細胞混合在2D培養(yǎng)環(huán)境中培養(yǎng)。其關鍵特征在于不同細胞之間的直接相互作用，細胞和細胞外基質(zhì)的相互作用，或者通過細胞因子、化學通訊間接傳遞信號。原代肝細胞功能（如白蛋白產(chǎn)生和藥物代謝能力）可以維持長達3周。

★原代肝細胞與成纖維細胞共培養(yǎng)：用于慢代謝化合物清除率及其代謝產(chǎn)物研究。

★原代肝細胞與非實質(zhì)肝細胞（星狀細胞，肝竇內(nèi)皮細胞）共培養(yǎng)：用于藥物性肝損傷的研究，有助于研究細胞因子、趨化因子和生長因子在藥物暴露后調(diào)節(jié)肝臟適應性反應中的作用。

★原代肝細胞與T細胞共培養(yǎng)：檢測肝藥物代謝特異性T細胞反應。

★IPHASE也開發(fā)了不同種屬的原代肝細胞共培養(yǎng)系統(tǒng)HepatoMaxTM（圖7），通過原代肝細胞與基質(zhì)細胞共培養(yǎng)，可以實現(xiàn)人原代肝細胞在3周內(nèi)保持良好的藥物代謝酶活性，適用于慢代謝化合物清除率及其代謝產(chǎn)物研究。

圖7. IPHASE人原代肝細胞共培養(yǎng)系統(tǒng)

3D原代肝細胞共培養(yǎng)模型

直接3D共培養(yǎng)：將兩種或多種不同類型的肝細胞（原代肝細胞、肝竇內(nèi)皮細胞、肝星狀細胞、枯否氏細胞）混合成自組裝球體，或在膠原蛋白、纖維蛋白、海藻酸鹽和水凝膠等構(gòu)建的3D環(huán)境中共同培養(yǎng)。直接3D共培養(yǎng)可以使不同肝細胞緊密接觸，通過細胞間直接黏附、可溶性細胞因子旁分泌、細胞外基質(zhì)黏附等機制實現(xiàn)肝細胞間的信號通信。

應用：

★構(gòu)建肝纖維化模型

★構(gòu)建藥物性肝損傷模型

★評估藥物相互作用、藥物代謝和酶誘導。

間接三維共培養(yǎng)：采用物理分離系統(tǒng)（Transwell或各種材料）將兩種或兩種以上類型的細胞（如原代肝細胞與NIH/3T3細胞或肝竇內(nèi)皮細胞）在3D環(huán)境中分層培養(yǎng)，物理分離系統(tǒng)兩側(cè)的細胞之間不允許直接接觸，它們之間的信號通過可溶性細胞因子進行溝通。

應用：研究非接觸式肝細胞在體通信。

綜上所述，IPHASE作為體外研究生物試引-領者，為助力藥物體外非臨床研究，從多種屬原代肝細胞的分離、培養(yǎng)，到相應輔助產(chǎn)品如不同應用場景下的配套培養(yǎng)基或不同需求下的多規(guī)格膠原包被板；從提供產(chǎn)品到提供原代肝細胞的分離、培養(yǎng)服務，IPHASE始終如一，致力于為客戶提供最-好的藥物體外非臨床研究“武-器"，是廣大客戶優(yōu)選的合作伙伴！

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