从单腔平台转向 7 腔培养

肝微生理系统需要同时维持代谢功能、非实质细胞和稳定培养条件。匹兹堡大学(University of Pittsburgh)团队在 Experimental Biology and Medicine 报道肝腺泡微生理系统(liver acinus microphysiological system,LAMPS)的较高通量版本 ht-LAMPS,探索在扩大并行培养容量后,能否保留原平台的肝脏功能。

原 LAMPS 使用单个 PDMS 培养腔,新装置改为聚苯乙烯器件,包含 7 个独立培养腔。培养区高度也由约 170 μm 增至约 700 μm。研究分别检查灌流、氧环境、细胞功能和疾病条件下的表现。

体系包含原代人肝细胞、原代肝窦内皮细胞,以及 LX-2 星状细胞和 THP-1 来源的 Kupffer 样细胞。

细胞按分层结构组装,器件内使用胶原 I 和纤连蛋白等基质。研究在第 8 天进行多项图像比较,并在培养期间收集流出液,追踪白蛋白、尿素氮、乳酸脱氢酶(LDH)和细胞因子等变化。

原研究图 1,比较单腔和 7 腔装置,并标注肝细胞、内皮及两类细胞系。
单腔 LAMPS、7 腔 ht-LAMPS 及 4 类细胞的培养结构。(Gavlock et al. / Experimental Biology and Medicine, 2026, Fig. 1;CC BY 4.0)窄屏可横向滑动查看完整图表。

不同灌流速率形成肝脏分区样氧环境

肝脏不同区域的氧供应和功能存在差别。研究通过改变流量,设置较高氧的第 1 区样条件和较低氧的第 3 区样条件,持续培养 8 天。团队先用计算流体模型分析氧分布,再用氧敏感微珠进行测量。

在本装置中,15 μL/h 灌流对应约 15% 氧的第 1 区样环境,5 μL/h 对应约 6%–8% 氧的第 3 区样环境。微珠验证使用仅含肝细胞的简化培养腔,完整 4 类细胞体系的后续功能则按相应流量条件比较。

两组细胞存活和 LDH 释放总体相近。功能方面,第 1 区样条件的白蛋白、尿素氮和线粒体相关信号更高;第 3 区样条件的中性脂质积累更明显,呈现与分区相关的差别。

代谢综合征培养条件增加脂质与纤维化指标

团队用正常空腹、早期代谢综合征和晚期代谢综合征 3 类培养条件,研究代谢功能障碍相关脂肪性肝病(metabolic dysfunction-associated steatotic liver disease,MASLD)。这些培养液条件用于模拟不同代谢背景,并按相同培养时程比较。

早期和晚期代谢综合征条件下,中性脂质信号均增加。晚期条件出现更明显的 IL-6 变化,部分其他炎症指标呈上升趋势。星状细胞激活和胶原相关染色也增强。

胶原相关结果不仅来自组织染色,也包括流出液中的前胶原 1α1 测量。该指标由早期到晚期代谢综合征条件逐步增加。

重复性随检测指标而变化

平台扩展后,团队检查同次实验中各培养腔的差异,也比较不同实验。连续测量指标采用组内相关系数,终点图像指标则采用变异系数,并按预先设定的范围描述重复性。

白蛋白和部分尿素氮测量具有较好的跨实验一致性,活力染色与脂质信号也较稳定。LDH 的跨实验一致性较差,线粒体染料信号在一些实验内存在较大变异。

分区分析汇集 21 个培养腔,疾病条件比较中每组为 7 个培养腔。原代肝细胞使用一个指定批次。培养腔提供实验重复,供者和原代细胞批次的影响仍需在扩展研究中检查。

例如跨实验白蛋白测量的组内相关系数,在第 1 区样和第 3 区样条件下分别约为 0.58 和 0.83;对应尿素氮为 0.86 和 0.81。LDH 则为 −0.05 和 0.11。

多腔培养的容量与后续扩展

ht-LAMPS 在 7 个独立培养腔中保留了多个肝脏功能及分区差异。

论文与旧平台的部分比较使用既有实验资料。新平台没有在本研究中开展一套新的参照药物预测测试,重点是培养和功能表现。

与旧平台比较时,两版本的分区方向大体相同;晚期代谢条件的炎症变化也较接近。早期代谢条件下,新平台的部分细胞因子反应较弱;作者认为该差异可能与器件特点或细胞来源等生物学差异有关。

作者提出增加每片芯片的培养腔数量、改善并行流量分配,并结合实时传感器或自动化液体处理,以进一步提高实验容量。

来源与延伸阅读

  1. Scaling human liver microphysiological systems: implementing a higher-throughput liver acinus microphysiological system platform. Experimental Biology and Medicine (2026). ↗