活細胞光學(xué)成像技術(shù)加持微循環(huán)系統(tǒng)助力代謝性肝病的研究

在代謝性肝病的研究中，傳統(tǒng)模型往往難以捕捉肝臟內(nèi)多種細胞類型（如肝細胞、免疫細胞、血管細胞）之間復(fù)雜的動態(tài)相互作用。為了突破這一局限，研究人員成功開發(fā)了一種新型的血管化肝臟微生理系統(tǒng)。該系統(tǒng)創(chuàng)新性地將含有人類原代肝細胞、庫普弗細胞、內(nèi)皮細胞和成纖維細胞的多細胞肝球，與可灌注的自組織微血管網(wǎng)絡(luò)進行了物理整合。研究人員證明，該系統(tǒng)不僅能模擬肝臟的基礎(chǔ)生理功能，還能通過模擬疾病條件（高胰島素、高葡萄糖、高游離脂肪酸）成功誘導(dǎo)出胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)，重現(xiàn)包括肝細胞代謝改變、血管功能失調(diào)和炎癥狀態(tài)加劇在內(nèi)的關(guān)鍵疾病表型。更重要的是，該系統(tǒng)首次實現(xiàn)了在可灌注的血管網(wǎng)絡(luò)中研究免疫細胞招募，發(fā)現(xiàn)胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)會顯著促進單核細胞向肝球部位的浸潤，從而為在體外研究代謝疾病中復(fù)雜的免疫-組織互作提供了前所未有的平臺。

這項重要研究由Erin N. Tevonian, Ellen L. Kan, Kairav K. Maniar等人共同完成，其研究成果以題為“A vascularized liver microphysiological system captures key features of hepatic insulin resistance and monocyte infiltration”的論文形式，于2026年2月在國際知名學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上在線發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
本研究的核心貢獻是構(gòu)建并驗證了一個高度仿生的、血管化的原發(fā)性人類肝臟微生理系統(tǒng)，并利用它成功模擬了肝臟胰島素抵抗的早期關(guān)鍵特征，特別是揭示了疾病狀態(tài)下血管失調(diào)與免疫細胞招募增強的現(xiàn)象。

在功能驗證方面，該系統(tǒng)維持了良好的肝細胞功能。在長達兩周的培養(yǎng)中，肝細胞持續(xù)分泌白蛋白，并保有細胞色素P450 3A4的代謝活性及尿素合成能力。通過熒光染料灌注實驗證實，所形成的微血管網(wǎng)絡(luò)具有良好的可灌注性，染料能夠流經(jīng)整個網(wǎng)絡(luò)，包括那些穿行于肝球內(nèi)的血管段，這為后續(xù)研究物質(zhì)運輸和免疫細胞 trafficking 奠定了基礎(chǔ)。

在代謝層面，系統(tǒng)表現(xiàn)出胰島素清除率下降。基因表達分析顯示，與糖異生相關(guān)的基因表達顯著上調(diào)。通過定制化的葡萄糖輸出測定，證實胰島素抵抗模型在功能上產(chǎn)生了更多的葡萄糖，表明其代謝調(diào)節(jié)受損。

研究人員在血管網(wǎng)絡(luò)形成后，將來自健康供體的原代人CD14+單核細胞灌注到血管中。通過活細胞時間推移成像，可以清晰地看到被熒光染料標(biāo)記的單核細胞隨血流在血管網(wǎng)絡(luò)中運動，其中一部分細胞會黏附在血管壁上，并跨內(nèi)皮遷移到血管外，最終定位于肝球附近。成像追蹤顯示，這些單核細胞在共培養(yǎng)4天后仍持續(xù)存在，并與肝球緊密關(guān)聯(lián)，部分細胞形態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)鋪展，提示其正在向組織駐留型巨噬細胞分化。

隨后的流式細胞術(shù)定量分析提供了確鑿證據(jù)：與生理條件相比，胰島素抵抗模型的組織區(qū)域內(nèi)留存的單核細胞頻率顯著更高。對比實驗表明，肝球的存在是驅(qū)動單核細胞招募增加的主要原因。這直接證明了，該模型能夠捕捉到胰島素抵抗疾病微環(huán)境對系統(tǒng)性免疫細胞的特異性招募作用。

創(chuàng)新與亮點
本論文的突破性成果，很大程度上歸功于其成功解決了一系列傳統(tǒng)肝臟模型難以應(yīng)對的成像與動態(tài)觀測難題，并由此帶來了研究方法上的革新。它突破了“靜態(tài)與孤立”的成像局限，實現(xiàn)了對肝細胞-血管-免疫細胞“原位、實時、三維、功能化”的成像。論文提出并應(yīng)用了一套多維度的“成像-分析”聯(lián)用技術(shù)方案，實現(xiàn)了從宏觀形態(tài)到微觀功能、從結(jié)構(gòu)到分子的全面表征。

總結(jié)與展望
總而言之，這項研究成功開發(fā)了一種包含可灌注微血管網(wǎng)絡(luò)的原代人源肝臟微生理系統(tǒng)。該平臺不僅復(fù)現(xiàn)了肝臟的基礎(chǔ)生理，更能通過培養(yǎng)基調(diào)控誘導(dǎo)出胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)性地模擬了該狀態(tài)下肝細胞代謝紊亂、微血管功能障礙和局部炎癥加劇等多重特征。其最顯著的突破在于，利用該系統(tǒng)首次在體外直接可視化并證實了胰島素抵抗微環(huán)境能夠通過血管網(wǎng)絡(luò)特異性招募更多單核細胞，為研究代謝性疾病中免疫細胞浸潤的機制提供了一個強大的工具。

展望未來，該模型仍有進一步優(yōu)化的空間。例如，將目前使用的通用內(nèi)皮細胞和成纖維細胞替換為肝臟特異性的細胞（如肝竇內(nèi)皮細胞和星狀細胞），將極大提升模型的生理相關(guān)性和對肝病研究的特異性。同時，探索更長期的培養(yǎng)方案，并與患者特異性的iPSC技術(shù)結(jié)合，將有助于模擬疾病晚期（如纖維化階段）的表型，并推動個性化醫(yī)療的發(fā)展。盡管在解析多細胞系統(tǒng)復(fù)雜性方面仍面臨挑戰(zhàn)，但這一血管化肝臟MPS無疑為我們深入理解人類肝臟疾病的復(fù)雜交互網(wǎng)絡(luò)打開了一扇新的窗口。

DOI:10.1038/s41467-025-68031-6.