骨骼肌束与炎症性脂肪组织的微生理界面：用于在肥胖微环境中重现肌肉功能障碍

《Advanced Healthcare Materials》：A Microphysiological Interface of Skeletal Myobundles and Inflamed Adipose Tissue for Recapitulating Muscle Dysfunction in an Obese Microenvironment

本研究开发了一种基于人类细胞的微生理系统，结合工程肌肉组织（EMT）与炎症脂肪-巨噬细胞共培养（IAMC），模拟肥胖微环境中的肌肉-脂肪互作。结果显示，共培养显著降低肌肉收缩力与速度，并通过转录组分析发现代谢重编程，涉及脂肪酸转运和胰岛素抵抗相关基因。该平台为肥胖相关肌肉功能障碍的研究和治疗筛选提供了新工具。

　　肥胖是一种全球性的健康问题，其特征是慢性低度炎症和严重的代谢功能障碍。这种炎症不仅影响脂肪组织，还通过旁分泌信号传递机制损害骨骼肌功能，进而对整体健康产生深远影响。研究表明，肥胖相关的骨骼肌功能障碍可能与肌间脂肪组织和内脏脂肪组织中的炎症微环境密切相关。然而，现有的研究模型在模拟这些复杂的组织间相互作用方面存在一定的局限性，尤其是在再现炎症脂肪组织与骨骼肌之间的生理相关性方面。因此，开发一种能够精确模拟肥胖相关肌功能障碍的新型微生理系统成为研究的重点。

本研究设计了一种基于人类细胞的微生理系统，结合了工程化骨骼肌组织（EMT）和炎症脂肪-巨噬细胞共培养系统（IAMC），以模拟肥胖环境下的肌脂肪交互作用。该模型通过3D打印技术构建了带有微柱结构的设备，使人类诱导多能干细胞（hiPSC）来源的肌母细胞能够在微柱上自组装形成具有收缩功能的3D肌束。同时，IAMC模型通过将炎症诱导的脂肪细胞与M1型巨噬细胞共培养，再现了肥胖微环境中常见的炎症特征。这种结构使得肌束与炎症脂肪组织之间能够进行旁分泌信号交流，而无需直接接触，从而模拟了体内真实的信号传递机制。

通过该系统，研究者观察到肌束的收缩力和收缩速度在与IAMC共培养后显著下降。这表明，炎症脂肪组织的旁分泌信号对骨骼肌的功能产生了负面影响。此外，通过对共培养系统的条件培养基进行生物化学分析，发现多种促炎因子和代谢相关因子的表达水平明显升高，包括CCL5、IL-6、IL-8、CXCL5、MIP-1β、OPG和PDGF-BB等。这些因子的升高进一步证实了炎症脂肪微环境对肌肉代谢和功能的干扰作用。

在基因表达层面，研究者通过转录组分析发现，EMT在与IAMC共培养后，某些代谢相关基因的表达发生了显著变化。具体而言，一些与脂肪酸转运和胰岛素抵抗相关的基因如SLC27A1、PIK3R1、ADH7、PRKAA1和LAMA4被显著上调，而与糖酵解和能量代谢相关的基因如SLC2A1、HK2、IMPDH2和PFKL则被下调。这些基因表达的改变反映了肌肉组织在炎症环境下的代谢重塑现象，表明炎症脂肪组织可能通过影响胰岛素信号传导和代谢通路，导致肌肉功能的下降。

研究还发现，这种炎症微环境不仅影响肌肉的收缩能力，还可能干扰其代谢灵活性和能量代谢能力。在细胞层面，观察到肌肉细胞的形态和结构发生变化，表现为肌管的多核化程度降低，以及细胞核融合指数的下降。这些变化可能与肌肉细胞在炎症信号刺激下的功能受损有关，也可能是代谢功能紊乱的早期表现之一。

在方法学上，本研究采用了有限元分析（FEA）来评估微柱的刚度，从而将微柱的位移转化为肌肉收缩力的定量测量。这一方法相较于传统的简化模型更具现实意义，因为它考虑了实际的肌肉附着厚度和微柱几何结构，提高了测量的准确性和可重复性。此外，通过挂重实验和其对应的数字孪生模型进行验证，进一步确认了该方法的有效性。这些方法的结合不仅为肌肉功能的定量评估提供了可靠依据，也为不同研究之间的比较和数据标准化奠定了基础。

除了肌肉功能的评估，研究还关注了IAMC模型的构建过程。通过将TNF-α处理的脂肪细胞与M1型巨噬细胞共培养，成功再现了肥胖环境下常见的炎症特征。研究发现，炎症脂肪细胞能够吸引大量M1型巨噬细胞，而这些巨噬细胞则进一步分泌促炎因子，形成一种正反馈机制。这种机制在肥胖相关的肌肉功能障碍中可能起到关键作用，尤其是在慢性炎症状态下，巨噬细胞的持续激活可能加剧肌肉损伤和代谢紊乱。

此外，研究还发现，不同类型的脂肪组织在炎症状态下表现出不同的分泌特征。例如，皮下脂肪组织（SAT）和内脏脂肪组织（VAT）在肥胖条件下均表现出促炎因子的分泌增加，但某些因子如CCL4（MIP-1β）的表达在VAT中受到抑制，这可能与慢性炎症环境中的信号动态变化有关。而循环系统中，CCL18的升高则表明，某些炎症相关因子可能通过血液传播，影响全身范围内的代谢功能。

研究还讨论了该微生理系统的潜在应用和优势。相比传统的细胞共培养模型，该系统能够提供更加精确的生理相关性，使研究者能够在更接近体内环境的条件下评估炎症对肌肉功能的影响。此外，该系统还支持对细胞分泌物和基因表达的同步分析，为理解肌肉与脂肪组织之间的复杂交互提供了新的视角。然而，该系统也存在一定的局限性，例如，其主要关注短期的炎症暴露，而肥胖是一个长期的病理过程；此外，系统中未包含适应性免疫细胞，如T细胞和B细胞，这些细胞在肥胖相关炎症中也起到重要作用。因此，未来的研究可以进一步优化该模型，使其更全面地模拟肥胖环境下的所有相关细胞类型和信号通路。

本研究的结论强调了开发一种能够准确模拟肥胖相关肌功能障碍的微生理平台的重要性。通过结合工程化肌肉组织与炎症脂肪-巨噬细胞共培养模型，研究者不仅揭示了炎症微环境对肌肉功能的负面影响，还为探索相关疾病的治疗策略提供了新的工具。这一模型具有广泛的应用前景，不仅可以用于研究肥胖相关的肌肉功能障碍，还可以用于筛选和评估潜在的抗炎治疗方案，为个性化医疗和精准治疗提供了新的思路。

总体而言，本研究通过构建一种基于人类细胞的微生理系统，为理解肥胖相关的肌肉功能障碍提供了重要的实验基础。该系统不仅能够模拟复杂的组织间交互，还能支持多种生物化学和基因表达分析，为研究肥胖引发的代谢紊乱和肌肉功能障碍提供了更精确、可重复的平台。随着研究的深入，这种系统有望成为未来研究肥胖相关疾病的重要工具，同时也为开发新的治疗策略提供了理论依据和技术支持。