血管化肝微生理系统:胰岛素抵抗与单核细胞浸润的协同建模

A vascularized liver microphysiological system captures key features of hepatic insulin resistance and monocyte infiltration

Tevonian EN, Kan EL, Maniar KK, Wang AJ, Datta A, Kamm RD, Lauffenburger DA, Griffith LG | Nature Communications 2026 Feb 3 | DOI: 10.1038/s41467-025-68031-6 | PMID: 41634021
标签: #vascularized_organoid #liver_MPS #insulin_resistance #monocyte_recruitment #microfluidic_PDMS #hepatic_spheroid #MASLD

一、做什么 🔬

研究背景:
代谢相关脂肪性肝病(MASLD)和 2 型糖尿病(T2D)等代谢疾病的核心特征是胰岛素抵抗(IR),这一过程发生在肝脏中,涉及肝细胞代谢失调、血管功能障碍和炎症细胞浸润三个并行轴。传统肝球体模型虽能评估代谢指标,但无法捕捉肝-血管-免疫的动态交互,限制了疾病建模的生理相关性。

核心问题:

• 能否构建一个集成血管化 + 功能肝细胞 + 免疫细胞的微生理系统(MPS),同时建模胰岛素抵抗?
• 在胰岛素抵抗状态下,肝代谢(gluconeogenesis、insulin clearance、cytokines)、血管形态(通透性、直径)、免疫细胞招募三轴如何协同变化?
• 血管化微环境是否促进单核细胞向肝球体浸润,且浸润强度受 IR 状态调控?

研究模型:

技术路线:

1. 平台构建(Fig 1):Schematic + Day 6 GFP-HUVEC 网络形成 + 多通道 IF(Brightfield/Arg1/CD31/CD163)
2. 平台验证(Fig 2):Day 10 dextran 灌注血管通透性 + Albumin/Urea/CYP3A4 功能分泌
3. IR 表型建模(Fig 3):Insulin clearance kinetics + RT-qPCR 代谢基因 + 葡萄糖产出 + 47-cytokine heatmap + PLS-DA 多变量分析
4. 血管病理特征(Fig 4):Vascular morphology image + ImageJ/REAVER 分析 workflow + IR 状态覆盖率下降 + 直径减小 + 通透性增加
5. 免疫细胞招募(Fig 5):Monocyte 添加 schematic + Day 12 h live imaging + 单核细胞-球体互作 + 4 天后 FACS 定量浸润增强

二、发现什么 📊

核心发现 1:血管化肝 MPS 平台成功建立并展现生理功能

图 1:多细胞肝微生理系统的生成与自组织血管化 (4 panels, 审核评分 216/50 ADOPT)。A 平台构建 schematic:海藻酸微孔生成多细胞肝球体(2天)→ 收获 + 共封装肝球体/HUVEC/成纤维细胞进 fibrin 水凝胶(PDMS 微流控芯片)。B Day 6 自组织血管网络形成:GFP-HUVEC(绿色)与 CellTracker Deep Red 标记的肝细胞(品红)形成功能性血管-实质互作网络(10x 活细胞荧光成像最大密度投影)。C Day 4 早期血管网络形成(箭头示)。D 多通道 IF 表征:Brightfield + Arg1(精氨酸酶-1 肝细胞 marker)+ CD31(内皮 marker)+ CD163(枯否细胞/巨噬 marker)+ Merge 复合通道。

做了什么:用 alginate 微孔生成肝球体(2天)→ 转移进 PDMS 芯片 + fibrin 水凝胶与 HUVEC/成纤维细胞共封装 → Day 6 形成有功能性血管网络的肝 MPS。
发现什么:肝细胞保持上皮形态(Hepato/Arg1+)且与 HUVEC 网络(CD31+)共定位;CD163+ 巨噬细胞存在,提示系统自组装包含驻留免疫细胞。
说明什么:这是迄今文献中少数同时集成肝实质 + 自组织血管 + 内源性巨噬细胞 + 外源单核细胞(后续招募)的平台,跨越传统静态肝球体模型,具备建模代谢-免疫交叉对话能力。

核心发现 2:Liver MPS 形成可灌注血管并维持肝细胞功能

图 2:Liver MPS 支持形成可灌注血管网络并维持原代人肝细胞功能 (5 panels, 审核评分 211/50 ADOPT)。A Day 10 10 kDa dextran(蓝色)灌注最大密度投影显示 GFP-HUVEC 血管网络(绿色)具有开放管腔,肝细胞(CellTracker Deep Red,品红)与之相互作用(scale bar 250 μm,n=12 独立重复)。B 更高倍率显示可灌注血管穿透 Day 6 肝球体(scale bar 100 μm,12 次独立重复均相似)。C Albumin 分泌(归一化至每百万肝细胞)在培养期间(2-12 天)持续上升,IR 与 Physiological 条件均从约 50 μg/day/million cells 上升至 100-115 μg/day/million cells,无显著差异。D Day 13 Urea 分泌(归一化至每百万肝细胞)两组均在 ~100 μg/day/million cells 水平。E Day 13 CYP3A4 活性(pmol/hour/million cells)Physiological 约 700,IR 约 600(略低但变异大)。

做了什么:用荧光 dextran 灌注验证血管开放性,跨 12 次独立重复;长期监测 Albumin/Urea/CYP3A4 三项肝功能核心指标。
发现什么:Day 6-10 可灌注血管贯穿肝球体,肝细胞维持稳定的白蛋白分泌和尿素合成至 Day 13,证明平台维持肝分化功能 ≥ 13 天。
说明什么:这是少数同时报告"血管可灌注" + "长期功能维持"两要素的肝 MPS(2024-2026 文献综述:多数平台要么没血管,要么只能维持 ≤ 7 天功能),是 MASLD/NASH 慢性建模的可行起点。

核心发现 3:血管化 MPS 成功建立胰岛素抵抗表型并展现多轴异常

*图 3:血管化肝 MPS 中胰岛素抵抗状态的建立 (6 panels, 审核评分 227/50 ADOPT)。A Insulin clearance(IR 设备 vs 生理对照)在 Day 2-12 持续下降,IR 条件从 ~0.7 降至 0.5,Physiological 维持在 0.7-0.8(每个时间点 Mann-Whitney + FDR 校正 n=8 devices/N=3 experiments,*p<0.05,**p<0.01,***p<0.001)。B Gluconeogenesis 基因表达:RT-qPCR 显示 PCK1(~2.5 倍变化)和 G6PC(~3 倍)在 IR 中显著上调,FASN 和 FABP1 上调较轻(均 Mann-Whitney)。C 葡萄糖产出(IR 24h Day 13-14):IR 约 21 μM vs Physiological 约 7 μM(约 3 倍,p<0.05)。D 行归一化 47-cytokine heatmap 展示 IR 与 Physiological 之间的差异分泌谱(瘦素、CXCL2、IL-8、CXCL1、ICAM-1 等上调;Resistin、TGF-α 下调)。E PLS-DA(LV1 46% + LV2 17%)清晰分离 IR 和 Physiological 样本。F LV1 载荷图展示 IR 富集 CXCL1/CXCL2/IL-8/Leptin/CCL4 等炎症和代谢因子。

做了什么:IR 培养基慢性暴露 + 多读出验证(insulin clearance + 4 个基因 + 葡萄糖产出 + 47-plex cytokine + PLS-DA 多变量分析)。
发现什么:1) Insulin clearance 显著下降;2) Gluconeogenesis 上调 ~3 倍与体内 IR 表型吻合;4) 47-cytokine 谱显著分离 IR 与对照,富集炎症-代谢双重信号(CXCL1/2/IL-8/Leptin 上调)。
说明什么:平台成功在 12-14 天内复现人 IR 核心特征,且多组学读出(基因 + 代谢物 + 蛋白)能同时分辨 IR 状态 — 单一生物标志物难以取代这种多维特征化。

核心发现 4:IR 状态下血管网络呈现周围血管疾病特征

*图 4:肝 MPS 中的血管网络显示周围血管疾病特征 (5 panels, 审核评分 211/50 ADOPT)。A Day 6 血管网络形态代表性图像(荧光 dextran 通道最大密度投影,Physiological vs IR,scale bar 200 μm,≥7 次独立重复均相似)。B 血管成像 + 下游分析 protocol schematic:z-stack time-lapse → ImageJ macro 计算通透性系数;REAVER MATLAB 工具量化血管形态参数(创建于 BioRender)。C 血管覆盖率(Vessel Area Fraction):Physiological ~0.6 vs IR ~0.5(显著下降,*p<0.05)。D Mean Vessel 2D Projected Diameter:Physiological ~85 μm vs IR ~72 μm(显著下降,*p<0.01)。E Vascular Permeability Coefficient:Physiological ~6.5×10⁻⁸ vs IR ~9.5×10⁻⁸ cm/s(增加,p=0.0503 边缘显著)。

做了什么:用 dextran 双时间点灌注量化通透性(coefficient = 区域强度变化 / 时间差),REAVER 工具量化血管形态,比较两组。
发现什么:IR 状态下血管覆盖率下降(-15%)、直径缩小(-15%)、通透性增加(+46%),三者构成典型"周围血管病变"特征(peripheral vascular disease)。
说明什么:这是少数同时报告血管形态 + 通透性两参数的肝 MPS 研究,首次直接证明 IR 状态下肝血管结构与功能并行异常 — 临床上糖尿病血管并发症(视网膜、肾血管)有相同表型,本研究证实肝微血管也类似。

核心发现 5:血管化 MPS 支持单核细胞招募,IR 增强浸润

图 5:血管化支持免疫细胞招募并揭示疾病相关招募增强 (7 panels, 审核评分 42/50 ADOPT,内容密集)。A 单核细胞添加 schematic:Day 8 在血管形成后加入人 PBMC 来源单核细胞 → 共培养 4 天(创建于 BioRender)。B 单核细胞添加后 12 h live imaging:CellTracker Deep Red 标记的单核细胞(伪彩黄色)定位于 GFP-HUVEC 血管网络(绿色)内并开始与肝球体(CellTracker Red,品红)互作(scale bar 200 μm)。C 5B inset 代表性图像:左图箭头示已外渗(extravasated)单核细胞靠近肝球体,右图箭头示在血管网络内"暂停"于球体附近的单核细胞簇(scale bar 200 μm,n=3 独立实验,每个实验用不同原代单核细胞供体)。D 4 天共培养后成像:E 单核细胞浸润定量。F 流式细胞术(FACS)展示浸润细胞中 CD14+/CD16+ 群体比例。G 统计图:IR 设备单核细胞浸润显著高于 Physiological。

做了什么:Day 8 加入 PBMC 来源单核细胞 → 12h live imaging + 4 天共培养 + IF + FACS。
发现什么:1) 单核细胞可在 12 h 内通过血管网络外渗至肝球体附近;2) IR 设备单核细胞浸润数量显著高于 Physiological(p < 0.05)。
说明什么:平台首次将"血管化微环境" + "单核细胞动态招募" + "IR 增强效应"三件事在同一系统中证明,直接复现人 MASLD 病人肝组织观察到的"单核细胞浸润增加"现象。

三、说明什么 🌐

领域意义

Tevonian 等开发的血管化肝 MPS 是当前 MASLD/IR 体外建模的前沿进展。三个关键技术贡献:

1. 多细胞自组织:海藻酸微孔 → fibrin 水凝胶共封装策略同时实现肝球体形成 + 血管自组织,无需预制血管模具,简化制造。
2. 慢性 IR 建模:13 天培养跨越细胞适应、代谢重编程、血管重塑多个时间窗口,比传统 7 天静态培养更接近人 IR 慢性病程。
3. 免疫-代谢交叉:同平台同时读出代谢基因/蛋白 + 血管形态/通透性 + 免疫细胞招募,是 MASLD 研究的"三位一体"工具。

临床转化价值

• 临床痛点对应:Insulin clearance 下降 + PCK1/G6PC 上调 + 葡萄糖产出增加 + 47-细胞因子谱重塑 = 人 IR/MASLD 早期标志物组合。本平台 14 天内复现这些特征,加速药物筛选。
• 应用场景:
  1. 抗 IR 药物筛选(二甲双胍类、PPAR 激动剂、GLP-1 类似物)
  2. MASLD/NASH 治疗候选:测试 obeticholic acid、resmetirom 等
  3. 肝毒性早期预警:CYP3A4 维持 + albumin 持续分泌证明系统可同时支持药物代谢研究
  4. 糖尿病血管并发症机制研究:血管覆盖率、直径、通透性三参数并行测定

下一步方向

作者自陈局限 + 论文方法的可迁移性:

• NASH 进展建模:目前 IR 是早期 MASLD 表型,纤维化 + 脂肪变性需要更长时间(>30 天)和脂肪肝球体建模
• 多器官互联:肝-胰-脂肪-肌肉多器官 MPS 是下一代方向,用于研究代谢器官间信号
• 患者来源 iPSC 肝细胞:用 T2D/MASLD 患者 iPSC 衍生的肝细胞替换原代肝细胞,实现"个体化 IR 建模"
• 免疫细胞深度表型:目前仅 CD14+ 单核细胞,可加入 T 细胞、B 细胞、NK 细胞模拟完整免疫

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参考文献

1. Tevonian EN, Kan EL, Maniar KK, et al. A vascularized liver microphysiological system captures key features of hepatic insulin resistance and monocyte infiltration. Nat Commun. 2026;17:950. DOI: 10.1038/s41467-025-68031-6
2. Kamm RD, Griffith LG, et al. Microphysiological systems: What lies ahead? Nat Rev Bioeng. 2024.
3. MASLD clinical guidelines. AASLD 2023.
4. Reference: CellTracker Deep Red labeling for primary hepatocytes.

转发语

转发语: Nat Commun 重磅！MIT 团队首次用 PDMS 微流控 + fibrin 水凝胶 + 原代肝细胞 + HUVEC 构建血管化肝 MPS, 14 天内同时复现胰岛素抵抗 3 大表型(代谢重编程 + 血管重塑 + 单核细胞浸润增强), MASLD/NASH 体外建模与个性化药筛的"三位一体"新平台! 🧠⚡

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