距治愈糖尿病再进一步！中科院大连化学物理研究所用hiPSC成功衍生肝脏和胰岛类器官

近几十年来，2型糖尿病(T2DM) 已成为现代社会面临的最紧迫的医疗挑战之一。^{[ 1 - 4 ]}T2DM 的特点是高血糖和胰岛素抵抗，通常伴有胰腺β细胞功能障碍和肝脏中的胰岛素抵抗。

在体内，葡萄糖稳态对于调节新陈代谢和满足个体的能量需求至关重要。而血糖水平受控于多个组织器官，包括：肝脏、胰岛、脂肪和肌肉。^{[ 5 - 7 ]}

例如，肝脏和胰岛在维持血糖正常方面表现出双重功能。在禁食状态下，胰岛α细胞分泌胰高血糖素，诱导肝葡萄糖产生，为重要器官提供能量。餐后，胰岛β细胞分泌胰岛素以诱导肝葡萄糖摄取并促进葡萄糖分解。^{[ 8 - 10 ]}这些器官间的相互协调作用的失败，可能导致葡萄糖水平失调和代谢紊乱，从而发展为T2DM。

针对这一复杂机制，中国科学院大连化学物理研究所（DICP）秦建华教授课题组开发了一种基于人诱导多能干细胞（hiPSCs）的多类器官系统来模拟T2DM。该研究于2021年12月23日发表在 Advanced Science上。

研究小组用hiPSC衍生的肝脏和胰岛类器官的3D共培养长达30天，成功开发出多类器官系统，并且可以在生理和病理条件下模拟人肝-胰岛轴。

类器官代表了一类新的3D组织，可以涵盖机体内对应物的关键结构和功能。^{[ 19 - 21 ]}一般来说，通过对各种发育过程进行引导，可以由多能干细胞 (PSC) 产生各种类器官。

迄今为止，多种人类类器官（例如，大脑、^{[ 22 ]}肝脏、^{[ 23 ]}肠道、^{[ 24 ]}和胰岛^{[ 25 ]}) 已成功建立，并在器官发育、疾病建模和药物筛选的研究中显示出巨大的潜力。

最近，类器官芯片技术通过将发育生物学原理与微流控芯片技术相结合，开辟了创建高保真器官模型的新途径。^{[ 26 - 31 ]}与传统方法相比，类器官芯片系统通过提供准确的生物力学线索、生化信号和器官与器官相互作用来提供受控的组织微环境。

^{[ 4 , 32 - 34 ]}目前，已经建立了多个类器官系统，包括胰岛、肝脏、心脏和大脑，并已用于环境毒性筛选、药物测试和研究器官-及器官的相互作用。^{[ 35 - 38 ]}

秦建华教授课题组发现，在这种灌注的微流体3D培养系统中，生成的肝脏和胰岛类器官表现出良好的生长和改善组织特异性的功能。

用于体外模拟人肝-胰岛轴的 hiPSC 衍生的多类器官芯片系统示意图

肝脏和胰岛类器官是通过微孔阵列中 hiPSCs 的自组织产生的，依赖于谱系特异性分化方案。由于微孔设计，形成了具有均匀尺寸（直径 200 µm）和形态的拟胚体 (EB)，从而减少了生成的类器官的可变性。

通过向培养基中添加特定的生长因子和小分子，EB 分化为内胚层细胞，然后分别在第 20 天和第 23 天分化为肝脏或胰腺谱系。然后，将肝脏和胰岛类器官转移到芯片装置中进行长期共培养（图B）。为了确保胰岛类器官有足够的胰岛素分泌和肝脏类器官对葡萄糖的消耗减少，类器官以 1:1 的比例播种在各个腔室中。

在共培养测定之前鉴定肝脏和胰岛类器官中的器官特异性蛋白质和基因表达

为了了解胰岛和肝脏类器官在共培养中的转录反应，研究小组在第15天在单一和共培养条件下对胰岛和肝脏类器官进行了 RNA 测序 (RNA-seq) 分析。在共培养的肝类器官中共鉴定出6446个差异表达基因（DEGs），其中上调基因3158个，下调基因3288个（下图 A）。此外，在共培养的胰岛类器官中鉴定出 4113 个 DEG（1971 个上调基因和 2142 个下调基因）（下图 B）。

“敏感的葡萄糖刺激的胰岛素分泌来自胰岛类器官，它增加了肝脏类器官中的葡萄糖利用效率，”秦教授说。这反映了在这个灌注共培养系统中两个器官之间的相互作用。转录分析显示，激活的信号通路与肝脏和胰岛类器官中的葡萄糖/CYP450 代谢和糖酵解/糖异生有关。

慢性高血糖是 T2DM 的主要原因，涉及多个代谢功能器官，包括肝脏和胰岛细胞。研究结果表明，高血糖条件会削弱线粒体功能。而这种微流体胰岛-肝脏类器官系统在高血糖条件下表现出线粒体功能障碍和葡萄糖转运能力降低，这可能归因于抗糖尿病药物治疗的缓解。

评估胰岛-肝脏类器官系统中线粒体功能和葡萄糖转运能力对高血糖状况和二甲双胍治疗的反应

“这种新型系统不仅可以反映肝-胰岛轴内的反馈回路，还可以对高糖和抗糖尿病药物表现出相关反应，这是传统细胞培养和动物模型很难实现的。”

未来，这种多类器官系统可能与大脑、肌肉和脂肪等其他器官相结合，以反映人体的系统生理和病理。此外，该平台可用于揭示与代谢紊乱相关的机制和合并症，包括 NAFLD、肝胰岛素抵抗和脂肪性肝炎。

秦教授说。“它将为研究复杂的 T2DM 发病机制和药物的开发提供一个独特的平台。”该研究得到了国家重点研发计划和中科院战略性先导研究计划的支持。