人多能干细胞衍生的2D细胞与3D肝类器官模型中CYP450基因调控的对比研究及其在药物代谢成熟度评估中的意义

本研究针对hPSC（人多能干细胞）衍生的2D肝细胞样细胞（2D HLCs）药物代谢酶表达不足的问题，通过对比3D肝类器官（HOs）模型，揭示了CYP450基因表达与DNA甲基化及组蛋白修饰（H3K27ac）的关联性。研究发现HOs中CYP450表达提升与表观遗传成熟度相关，为优化体外肝毒性评估模型提供了重要依据。

　　

肝脏是药物代谢和毒性的主要靶器官，但传统模型如动物实验和二维（2D）肝细胞系（如HepG2）因物种差异或功能不成熟，难以准确预测药物性肝损伤（DILI）。人多能干细胞（hPSC）衍生的2D肝细胞样细胞（2D HLCs）虽具潜力，但其细胞色素P450（CYP450）酶活性和表达水平仅接近胎儿肝脏，限制了毒性评估的可靠性。而三维（3D）肝类器官（HOs）因更接近成体肝细胞特性，成为潜在解决方案，但其CYP450调控机制尚不明确。

为解析这一科学问题，来自国内的研究团队在《Toxicology》发表论文，通过对比hPSC衍生的2D HLCs与3D HOs的表观遗传特征，揭示了CYP450基因表达差异的分子机制。研究采用多能干细胞分化为2D HLCs和3D HOs，结合甲基化测序（BSP）和染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）分析DNA甲基化与组蛋白H3K27乙酰化（H3K27ac）修饰，并检测核受体（NR）介导的基因诱导能力。

3.1. 2D HLCs的分化验证
通过四株hPSC系成功分化为2D HLCs，证实其表达肝标志物（ALB、HNF4A）并具备糖原储存和低密度脂蛋白（LDL）摄取功能，但CYP450表达显著低于原代肝细胞（PHHs）。

3.2. DNA甲基化与CYP450低表达的关联
在2D HLCs中，CYP1A2、CYP2B6等基因启动子区CpG位点高度甲基化，尤其位于转录因子（如AHR、HNF4A）结合域，与低表达水平直接相关。

3.3. 3D HOs的生成与功能
hiPSC衍生的HOs呈现球形结构，高表达肝成熟标志物（如AAT）和药物转运蛋白（MDR1），且CYP2B6、CYP3A4等表达显著高于2D HLCs。

3.4. 表观遗传成熟驱动CYP450上调
HOs中CYP3A4等基因表达提升伴随DNA去甲基化和H3K27ac富集，尤其在增强子区域。而CYP1A2等仍因启动子高甲基化保持低表达，提示部分基因需进一步表观调控。

3.5. 核受体介导的诱导增强
HOs高表达核受体（CAR、PXR），其激动剂（如CITCO）可剂量依赖性诱导CYP3A4和UGT1A1，而2D HLCs无此响应，证实HOs具备更成熟的药物代谢调控网络。

结论与意义
该研究首次系统比较了hPSC衍生的2D与3D模型中CYP450的表观遗传调控差异，提出DNA甲基化和H3K27ac可作为肝模型成熟度的生物标志物。HOs因更接近PHHs的表观特征，在药物代谢和毒性预测中更具优势。未来通过靶向编辑CYP调控区或引入甲基转移酶（如SETD7），有望进一步提升模型可靠性。这一成果为优化体外肝毒性测试平台提供了理论依据，助力精准医疗和药物开发。