在肝类器官中单独改变培养基质刚度

肝脏病变常伴随组织力学环境变化,细胞培养中的基质也可能影响脂质积累和药物反应。美国斯坦福大学(Stanford University)等团队在 Advanced Science 报道一套可调刚度水凝胶,用于人源肝类器官的脂肪性肝病研究。

水凝胶由透明质酸和弹性蛋白样蛋白组成,研究称为 HELP,并加入细胞黏附序列及层粘连蛋白。团队将人诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cell,iPSC)分化得到的肝细胞培养于其中,比较约 1、3 和 6 kPa 的基质环境。

较高刚度配方起初凝胶形成过快,不利于类器官形成。团队通过可逆竞争反应延缓早期交联,使初始刚度约为 1.5 kPa,随后在培养中逐渐升至约 6 kPa。这一安排保留较硬终态,又改善早期细胞成团的条件。

先比较类器官形成与肝细胞基础功能

团队经过 9 天生长和 7 天分化建立肝类器官。改良后的较硬水凝胶比最初高刚度配方支持更好的细胞活性和类器官形成,仍低于较软配方中的部分指标。类器官形成率约为 20%,对应实验中的细胞培养结果。

在不同刚度条件下,肝细胞标志物、按细胞数量归一化的白蛋白及尿素检测整体接近。由此,后续比较既记录基础肝功能,也观察脂肪酸处理后是否出现与基质相关的表型差异。

较硬基质增加油酸处理后的脂质积累

第 16 天开始,团队加入 500 μM 油酸,处理 3 天。较硬基质中的类器官出现更大的脂质染色面积和更高的甘油三酯含量,软基质中的积累程度较低。脂质染色与生化检测从不同角度支持了这一结果。

研究还采用相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)成像,观察脂质相关光谱信号。未经油酸处理时,不同刚度组的相关信号比值存在差异;加入油酸后,该比值未显示同样的组间差异。光谱特征与脂质总量因此分别呈现。

随脂质积累增加,部分脂质代谢相关基因发生变化,CYP3A4 的基因和蛋白表达降低。本实验直接测量的是表达及脂质指标,药物的实际代谢速率没有在这一比较中测定。

纤维化相关标志升高,培养基质未进一步增硬

较硬环境中的类器官出现 α-SMA、COL1 等标志物升高。研究同时检查了胶原蛋白变化、基质性质及细胞组成:类器官主要由肝细胞构成,没有加入肝星状细胞、库普弗细胞或内皮细胞。

团队没有观察到细胞外胶原明显沉积,也没有测得培养基质在细胞作用下进一步增硬。因此,该模型可以研究肝细胞对较硬环境的反应,当前纤维化相关结果集中在细胞标志和表达变化。

ROCK 抑制剂减弱较硬基质中的额外脂质积累

药物比较采用与油酸同时处理 3 天的安排。20 μM 脱氧胆酸减少软、硬两种基质中的脂质积累,但两组之间的刚度相关差异仍然存在。

20 μM 的 Rho 激酶(Rho kinase,ROCK)抑制剂 Y27632 则主要减少较硬基质中的脂质积累,使其接近软基质水平;软基质中的变化较小。乳酸脱氢酶检测没有显示额外的细胞毒性增加。这组结果把机械信号相关通路与脂质表型联系起来。

研究的比较单位包括独立培养重复和所成像的类器官,成像对象数量与供者数量分别计算。其方法价值在于控制基质组成和力学环境,观察同类肝细胞在不同条件下的药物反应;此次验证聚焦油酸诱导表型及两种干预。

ROCK 抑制剂 Y27632 对不同刚度肝类器官脂质积累和细胞毒性的影响。

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ROCK 抑制剂 Y27632 对不同刚度肝类器官脂质积累和细胞毒性的影响。(Yueming Liu et al. / Advanced Science, 2025, Figure 7;CC BY 4.0)

来源与延伸阅读

  1. Engineered Hydrogels for Organoid Models of Human Nonalcoholic Fatty Liver Disease. Advanced Science. 2025. doi:10.1002/advs.202417332 ↗