Human organoid systems recapitulate in vivo organ architecture yet fail to capture complex pathologies such as inflammation and fibrosis. Here, using 11 different healthy and diseased pluripotent stem cell lines, we developed a reproducible method to derive multi-cellular human liver organoids composed of hepatocyte-, stellate-, and Kupffer-like cells that exhibit transcriptomic resemblance to in vivo-derived tissues. Under free fatty acid treatment, organoids, but not reaggregated cocultured spheroids, recapitulated key features of steatohepatitis, including steatosis, inflammation, and fibrosis phenotypes in a successive manner. Interestingly, an organoid-level biophysical readout with atomic force microscopy demonstrated that organoid stiffening reflects the fibrosis severity. Furthermore, organoids from patients with genetic dysfunction of lysosomal acid lipase phenocopied severe steatohepatitis, rescued by FXR agonism-mediated reactive oxygen species suppression. The presented key methodology and preliminary results offer a new approach for studying a personalized basis for inflammation and fibrosis in humans, thus facilitating the discovery of effective treatments.

Background & AimsPreclinical identification of compounds at risk of causing drug induced liver injury (DILI) remains a significant challenge in drug development, highlighting a need for a predictive human system to study complicated DILI mechanism and susceptibility to individual drug. Here, we established a human liver organoid (HLO)–based screening model for analyzing DILI pathology at organoid resolution.MethodsWe first developed a reproducible method to generate HLO from storable foregut progenitors from pluripotent stem cell (PSC) lines with reproducible bile transport function. The qRT-PCR and single cell RNA-seq determined hepatocyte transcriptomic state in cells of HLO relative to primary hepatocytes. Histological and ultrastructural analyses were performed to evaluate micro-anatomical architecture. HLO based drug-induced liver injury assays were transformed into a 384 well based high-speed live imaging platform.ResultsHLO, generated from 10 different pluripotent stem cell lines, contain polarized immature hepatocytes with bile canaliculi-like architecture, establishing the unidirectional bile acid transport pathway. Single cell RNA-seq profiling identified diverse and zonal hepatocytic populations that in part emulate primary adult hepatocytes. The accumulation of fluorescent bile acid into organoid was impaired by CRISPR-Cas9–based gene editing and transporter inhibitor treatment with BSEP. Furthermore, we successfully developed an organoid based assay with multiplexed readouts measuring viability, cholestatic and/or mitochondrial toxicity with high predictive values for 238 marketed drugs at 4 different concentrations (Sensitivity: 88.7%, Specificity: 88.9%). LoT positively predicts genomic predisposition (CYP2C9∗2) for Bosentan-induced cholestasis.ConclusionsLiver organoid-based Toxicity screen (LoT) is a potential assay system for liver toxicology studies, facilitating compound optimization, mechanistic study, and precision medicine as well as drug screening applications. Preclinical identification of compounds at risk of causing drug induced liver injury (DILI) remains a significant challenge in drug development, highlighting a need for a predictive human system to study complicated DILI mechanism and susceptibility to individual drug. Here, we established a human liver organoid (HLO)–based screening model for analyzing DILI pathology at organoid resolution. We first developed a reproducible method to generate HLO from storable foregut progenitors from pluripotent stem cell (PSC) lines with reproducible bile transport function. The qRT-PCR and single cell RNA-seq determined hepatocyte transcriptomic state in cells of HLO relative to primary hepatocytes. Histological and ultrastructural analyses were performed to evaluate micro-anatomical architecture. HLO based drug-induced liver injury assays were transformed into a 384 well based high-speed live imaging platform. HLO, generated from 10 different pluripotent stem cell lines, contain polarized immature hepatocytes with bile canaliculi-like architecture, establishing the unidirectional bile acid transport pathway. Single cell RNA-seq profiling identified diverse and zonal hepatocytic populations that in part emulate primary adult hepatocytes. The accumulation of fluorescent bile acid into organoid was impaired by CRISPR-Cas9–based gene editing and transporter inhibitor treatment with BSEP. Furthermore, we successfully developed an organoid based assay with multiplexed readouts measuring viability, cholestatic and/or mitochondrial toxicity with high predictive values for 238 marketed drugs at 4 different concentrations (Sensitivity: 88.7%, Specificity: 88.9%). LoT positively predicts genomic predisposition (CYP2C9∗2) for Bosentan-induced cholestasis. Liver organoid-based Toxicity screen (LoT) is a potential assay system for liver toxicology studies, facilitating compound optimization, mechanistic study, and precision medicine as well as drug screening applications.

We developed an advanced optical microscope for the simultaneous visualization of membrane fluidity and morphology to define cell adhesion signatures. This microscope combines ratiometric spectral imaging of membrane fluidity and interferometric imaging of membrane morphology. As a preliminary demonstration, we simultaneously visualized the interface between a giant unilamellar vesicle (GUV) and a glass substrate at different temperatures. We identified more fluid regions of the membrane and membrane adhesion sites (conversely, low-fluidic, ordered membrane domains correlate with nonadhered regions). This microscopic system was applied to human breast cancer cell lines with different malignancies; then, we identified adhesion signature of cancer cells: 1) low-fluidic, ordered membrane domains at the cell periphery and 2) large fluidic deviation at the nonadhered region. Inhibition of the cholesterol synthesis pathway suppresses the ordered membrane domains at the cancer cell periphery; thus, high level of cholesterol supports the appearance. Furthermore, an inhibitor of the unsaturated lipid synthesis pathway suppressed the large fluidic deviation at the nonadhered region; variation of unsaturated lipids contributes to heterogeneity of the cancer membrane. Therefore, our advanced optical microscopy enables us to couple membrane physical properties with cell adhesion, leading to definition of adhesion signatures of broad cell types, not just for cancer cells, that regulate life phenomena.