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肝脏是人体最大的实质器官，主要由肝细胞组成。肝细胞是分解和合成代谢的中心，在药物解毒，胆固醇和脂肪降解，糖原的代谢和储存，尿素及白蛋白合成等生化反应中发挥重要作用。 肝细胞在医药领域中有着广泛的应用，包括药物毒理学研究和临床治疗。新药发明过程中，检测化合物对人肝细胞的毒性是必须的环节。人肝细胞主要来源于器官捐献，来源十分短缺。临床治疗中，肝细胞可用于急性肝损伤的治疗，但受限于体外培养过程中肝细胞功能难以维持。通过器官捐献获得的肝细胞难以满足巨大的市场需求，亟待寻找新的肝细胞来源。多能干细胞定向分化为肝细胞为解决肝细胞来源短缺的问题带来了希望。 多能干细胞包括了胚胎干细胞(ESC)和诱导多能性干细胞(iPSC)，它们具有无限增殖和发育的全能性，被广泛用于定向分化的研究。虽然使用ESC和iPSC的肝定向分化方案己取得阶段性成果，但是目前的诱导方案涉及了大量的生长因子，使得分化成本较高。立足于建立一个简要的化学诱导方案，本课题模拟体内肝脏发育的分子调控机理，探索小分子化合物配方，筛选最佳的体外诱导ESC和iPSC肝系定向分化的方案。 本研究分步将多能干细胞诱导为定型内胚层细胞，肝前体细胞，及具有肝功能的肝样细胞。定型内胚层细胞的诱导方案中，优化了小分子化合物CHIR99021，IDE1，LY294002，Isoliquiritigenin(ISO)和Dorsomorphin的组合，获得了90％CXCR4+/SOX17+的定型内胚层细胞。随后，肝特化阶段，优化了小分子化合物Sag，Kartogenin，ISO和4-hydroxychalcone(4-H)的组合，获得了85％AFP+的肝前体细胞。此外，本研究中发现小分子化合物ISO和4-H不但能够促进Smad1/5/9的磷酸化，还能激活内源BMP2和BMP4的表达，从而激活BMP信号通路。小分子化合物分化得到的肝前体细胞，在后续的分化中能够表达肝细胞的标志蛋白白蛋白，且具有糖原合成，吲哚菁绿(ICG)摄入，低密度脂蛋白(LDL)摄入的功能。此外，将肝前体细胞移植到急性肝损伤小鼠模型体内，肝前体细胞可归巢到小鼠的肝脏，并在肝脏中进一步分化成熟。移植7天后，小鼠的肝脏切片可检测到人源白蛋白的表达。 综上所述，本课题使用了小分子化合物将多能干细胞定向分化为肝前体细胞，并通过体外的功能实验和体内的移植实验证明了肝前体细胞的功能。本研究为肝细胞分化机制的研究提供了新的途径和方向。