薬理学的in vitro研究のための小型化中空繊維膜バイオリアクターにおける原発性ヒト肝細胞の血清を含まない培養

一次ヒト肝細胞は、肝薬の代謝と気質のin vitro調査のための重要な細胞源です。この研究では、3次元（3D）灌流培養のためのマルチコンパートメント毛細血管ベースのバイオリアクターテクノロジーをさらに発達させ、細胞の需要を減らすために0.5 mL未満の体積に小型化されました。小型化されたバイオリアクターは、2つの毛細血管層で構成されており、それぞれが細胞の3D培養として機能する交互に配置された酸素と培地毛細血管で作られています。10日間の培養期間にわたって血清を含まない条件下で2.5％胎児の子牛血清（FCS）の存在下で、このバイオリアクターでは、原発性ヒト肝細胞の代謝活性と安定性を研究しました。小型化されたバイオリアクターは、より大きなバリアントについて、以前に報告されたデータに匹敵する機能を示しました。グルコースと乳酸代謝、尿素産生、アルブミン合成、および細胞内酵素（AST、ALT、GLDH）の放出は、血清を含まないバイオリアクターと血清補充バイオリアクターの間に有意差は示されませんでした。ヒト関連のシトクロムP450（CYP）アイソザイム（CYP1A2、CYP3A4/5、CYP2C9、CYP2D6、CYP2B6）の活性は、選択的プローブ基板からの製品形成速度の測定によって分析されました。遺伝子発現分析は、FCSで維持されているものと比較して、血清を含まないバイオリアクターにおける大部分のCYP酵素、輸送タンパク質、およびフェーズII代謝の酵素で中程度に高い発現を示しました。結論として、小型化されたバイオリアクターは、調査された期間にわたって安定した機能を維持し、したがって、定義された血清を含まない条件下で原発性ヒト肝細胞に関する薬理学的研究に適したシステムを提供します。

Primary human hepatocytes represent an important cell source for in vitro investigation of hepatic drug metabolism and disposition. In this study, a multi-compartment capillary membrane-based bioreactor technology for three-dimensional (3D) perfusion culture was further developed and miniaturized to a volume of less than 0.5 ml to reduce demand for cells. The miniaturized bioreactor was composed of two capillary layers, each made of alternately arranged oxygen and medium capillaries serving as a 3D culture for the cells. Metabolic activity and stability of primary human hepatocytes was studied in this bioreactor in the presence of 2.5% fetal calf serum (FCS) under serum-free conditions over a culture period of 10 days. The miniaturized bioreactor showed functions comparable to previously reported data for larger variants. Glucose and lactate metabolism, urea production, albumin synthesis and release of intracellular enzymes (AST, ALT, GLDH) showed no significant differences between serum-free and serum-supplemented bioreactors. Activities of human-relevant cytochrome P450 (CYP) isoenzymes (CYP1A2, CYP3A4/5, CYP2C9, CYP2D6, CYP2B6) analyzed by determination of product formation rates from selective probe substrates were also comparable in both groups. Gene expression analysis showed moderately higher expression in the majority of CYP enzymes, transport proteins and enzymes of Phase II metabolism in the serum-free bioreactors compared to those maintained with FCS. In conclusion, the miniaturized bioreactor maintained stable function over the investigated period and thus provides a suitable system for pharmacological studies on primary human hepatocytes under defined serum-free conditions.