器官芯片重现肠-胰岛轴以评估内分泌激素分泌调节剂

本研究针对肠-胰岛轴体外模型缺乏的难题，开发了一种集成封闭堆积多孔支架的微流控器官芯片平台。该平台成功培养了β细胞和L细胞球状体，模拟了体内葡萄糖刺激的GLP-1和胰岛素分泌过程，并利用浓度梯度生成技术高效评估了胆汁酸（如HCA、LCA、DCA）对激素分泌的促进作用。研究成果为代谢药物筛选提供了创新性体外评价体系，发表于《Research》期刊。

　　

在糖尿病等代谢性疾病的研究领域，理解肠道与胰岛之间的相互作用——即肠-胰岛轴——至关重要。这一内分泌信号轴通过肠道微环境的变化影响胰岛功能，其中肠道L细胞分泌的胰高血糖素样肽-1（GLP-1）发挥着核心作用。GLP-1能够刺激胰岛β细胞增强胰岛素分泌，从而降低血糖水平。基于此，胆汁酸（BAs）及其类似物作为潜在的内分泌激素分泌调节剂，已成为糖尿病治疗研究的新靶点。然而，肠-胰岛轴内部的相互作用极为复杂，传统的体外模型难以真实模拟其生理特征和细胞间对话，这严重限制了对胆汁酸等调节剂的深入研究和高效评价。因此，开发能够精准模拟肠-胰岛轴功能的新型体外模型成为迫切需求。

为了应对这一挑战，研究人员在《Research》杂志上发表了一项创新性研究，他们成功构建了一种器官芯片平台，该平台通过集成具有封闭堆积多孔结构的支架，实现了对肠-胰岛轴的体外重现，并用于胆汁酸调节剂的高效评价。

研究人员主要运用了几项关键技术：首先，采用微流控技术生成单乳液滴模板，通过负向复制制备出孔径均匀、相互连通的多孔聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝胶支架。其次，将支架嵌入精心设计的具有树状分支微通道的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片中，该芯片能够生成浓度梯度。最后，利用该平台分别培养胰腺β细胞（MIN6细胞系，源自美国模式培养物集存库ATCC）和肠道L细胞（STC-1细胞系，源自ATCC）形成3D球状体，并动态评估其功能及胆汁酸的调节作用。

结果与讨论

多孔PEGDA支架的制备与表征

研究人员利用玻璃毛细管组装成微流控装置，以甲基硅油为内相（分散相），含有光引发剂的PEGDA预凝胶溶液为外相（连续相），生成油包水（O/W）单乳液滴。这些液滴具有高球形度和一致的尺寸，能快速自组装成紧密堆积的晶格结构。随后通过紫外线（UV）照射聚合PEGDA，并去除液滴模板，最终形成具有相互连通孔洞结构的多孔支架。通过调节内外相流速可以精确控制液滴直径，从而定制支架的孔径。力学性能测试表明，30% (v/v) 浓度的PEGDA水凝胶在收缩行为和压缩模量之间取得了最佳平衡，被选为后续实验的支架材料。

支架的生物相容性与细胞球状体形成

细胞相容性实验表明，PEGDA水凝胶提取物不会对β细胞和L细胞的活力和增殖产生负面影响，证明了其良好的生物相容性。将高密度的β细胞和L细胞分别接种到PEGDA支架上后，细胞在支架的均匀多孔结构中发生聚集。随着培养时间延长，细胞间相互作用驱动其自组装形成3D球状体，球状体直径逐渐减小并在第5天趋于稳定。培养至第7天时，通过激光共聚焦显微镜（CLSM）和扫描电子显微镜（SEM）观察，证实形成了表面致密光滑、大小均一的β细胞和L细胞球状体，其直径与天然胰岛大小相近，且细胞保持持续增殖。

器官芯片上的细胞活力与功能评估

将负载细胞支架的PDMS微流控芯片组装完成后，通过微泵持续输送培养基，为细胞提供动态微环境。活死染色结果显示，在7天的芯片培养期间，β细胞和L细胞球状体均保持了高存活率。功能评估方面，逆转录定量聚合酶链反应（RT-qPCR）分析显示，在芯片上培养的β细胞球状体中，与胰腺功能和胰岛素合成相关的基因（如PDX1、INS1、INS2）的表达量显著高于传统微孔板培养的细胞。为了模拟体内的肠-胰岛轴功能，研究人员将L细胞球状体培养腔室的出口与β细胞球状体培养腔室的入口通过微流控管路连接，构建成集成芯片系统。葡萄糖刺激胰岛素分泌（GSIS）实验表明，与2D培养相比，芯片上的β细胞球状体对葡萄糖刺激更敏感，能分泌更高水平的胰岛素，表明该3D动态培养系统能更好地模拟体内胰岛的微环境。

胆汁酸调节剂的梯度浓度评价

利用芯片上的“圣诞树”形微通道作为浓度梯度发生器，研究人员以罗丹明B为模型分子验证了梯度形成的有效性。随后，评估了不同浓度梯度的胆汁酸（包括猪胆酸（HCA）、石胆酸（LCA）和脱氧胆酸（DCA））对L细胞分泌GLP-1的影响。结果表明，HCA能以浓度依赖的方式显著促进GLP-1的分泌，且在高浓度下其效果优于LCA和DCA。在集成芯片上进一步评估了胆汁酸通过上调GLP-1进而刺激胰岛素分泌的效果。结果显示，在高葡萄糖（20 mM）刺激下，随着HCA浓度的增加，GLP-1和胰岛素的分泌均呈上调趋势。特别地，在梯度通道4的浓度下，HCA能显著增强基础胰岛素分泌和高葡萄糖刺激下的胰岛素分泌，其效果优于DCA。这些发现突出了HCA在调节肠-胰岛轴中的重要作用。

结论与意义

本研究成功开发了一种集成封闭堆积多孔支架的器官芯片平台，用于体外模拟肠-胰岛轴并动态评估内分泌激素分泌调节剂。该平台通过微流控技术制备的支架具有可调的孔径和优异的连通性，促进了β细胞和L细胞球状体的高效形成和长期维持。集成微流控系统不仅支持细胞球状体的动态培养，还能模拟葡萄糖刺激的激素分泌过程以及肠道激素对胰岛功能的调节作用。利用该平台，研究人员证实了HCA在促进GLP-1和胰岛素分泌方面的显著效果。这项工作不仅为研究肠-胰岛轴的复杂相互作用提供了强大的工具，也为胆汁酸等代谢药物的筛选和评价开辟了新的途径，在代谢性疾病药物研发和个性化医疗领域具有重要的应用前景。