人iPSC来源神经元通过共培养调控脂肪基质/干细胞成脂分化与功能的三维体外模型研究

《Cell Communication and Signaling》：Human induced pluripotent stem cell-derived neurons and coculture conditions regulate the adipogenic differentiation and functionality of human adipose stromal/stem cells

本研究针对人类脂肪组织神经支配研究不足的现状，开发了一种新型三维神经-脂肪器官芯片模型。通过将人iPSC来源的皮层神经元与脂肪基质/干细胞进行长期共培养，研究人员发现优化的神经-脂肪组合培养基（NM-AM）显著增强ASCs的成脂分化，且神经元进一步促进脂质积累和脂肪酸摄取，同时降低脂解作用。该模型为研究神经-脂肪相互作用提供了重要平台，对肥胖机制研究和药物开发具有重要意义。

　　

随着全球肥胖患病率的持续攀升，肥胖相关疾病已成为重大公共卫生问题。脂肪组织作为重要的代谢和内分泌器官，其功能受到神经系统的精密调控。然而，由于研究模型的限制，人类脂肪组织神经支配的研究相对滞后，目前大多数研究依赖于动物模型，而这些模型在脂肪分布、代谢和遗传等方面与人类存在显著差异。特别是缺乏能够模拟神经-脂肪相互作用的人类细胞来源三维体外模型，限制了对这一重要生理过程的深入理解。

在这项发表于《Cell Communication and Signaling》的研究中，芬兰坦佩雷大学的研究团队开发了一种创新性的三维神经-脂肪器官芯片模型，为研究人类神经-脂肪相互作用提供了新的平台。研究人员使用人诱导多能干细胞（hiPSC）来源的皮层神经元和人脂肪基质/干细胞（ASCs），在微流控芯片中建立了长期（≥21天）的三维共培养系统。

研究团队采用了几项关键技术方法：使用商业化的IdenTx 3微流控芯片平台建立三维培养环境；将ASCs和hiPSC来源的皮层神经元嵌入胶原I-纤维蛋白水凝胶中；开发了新型的神经-脂肪组合培养基（NM-AM）；通过免疫荧光染色评估细胞分化和相互作用；利用钙成像技术分析细胞功能活性；采用脂肪酸摄取和脂解实验评估代谢功能；通过酶联免疫吸附测定（ELISA）检测脂肪因子和乙酰胆碱分泌。研究使用了来自3名捐赠者的ASCs和两种hiPSC细胞系（商业来源的TUBA1B WTC和实验室自有的UTA.04511.WTs）。

3.1 NM-AM和神经元增强ASCs的成脂分化

研究人员发现，与传统的成脂分化培养基（AM）相比，新型的NM-AM显著促进了ASCs的三维成脂分化，表现为perilipin-1表达增加。更为重要的是，在NM-AM条件下，与神经元共培养进一步增强了ASCs的成脂分化。通过二维表面积分析证实，NM-AM共培养组中分化的ASCs数量显著多于其他实验组。

3.2 芯片上成功的长期三维神经-脂肪共培养

研究显示，在第21天，ASCs与hiPSC来源的皮层神经元在NM-AM中形成了物理相互作用。神经元突触包裹着正在成熟的ASCs，表明成功的神经支配。同时，神经元之间也形成了表达synapsin-1的突触连接。通过三维重建技术，研究人员从不同角度观察到了脂肪细胞分化过程中的神经支配现象。

3.3 神经元增加共培养中的FA摄取，NM-AM增加分化ASCs的脂解

脂肪酸摄取实验表明，神经元显著影响了ASCs的代谢活性。虽然单培养组在最初28分钟内摄取速率较快，但此后共培养组表现出更高的脂肪酸摄取能力。脂解实验显示，NM-AM显著增加了ASCs的基础脂解水平，而异丙肾上腺素刺激进一步增强了脂解作用。有趣的是，神经元的存在略微降低了脂解速率，但这一差异未达到统计学显著性。

3.4 钙活性在ASCs和神经元成熟过程中发生变化，并且在单培养和共培养之间存在差异

钙成像分析揭示了细胞功能活性的重要信息。神经元表现出典型的快速尖峰样钙振荡，而分化的ASCs则显示较慢的斜坡样信号。随着分化进程，ASCs的钙活性逐渐增加，而神经元在单培养中活性随时间增加，在共培养中保持相对稳定。共培养条件显著影响了两种细胞的钙信号特征，表明细胞间存在功能性相互作用。

3.5 分化中的ASCs分泌脂肪因子和乙酰胆碱

研究发现，分化中的ASCs在单培养和共培养条件下均分泌瘦素和脂联素，且分泌量随时间变化。特别值得注意的是，所有培养条件（除第2天的ASCs单培养外）均检测到乙酰胆碱分泌，表明ASCs具有产生和分泌乙酰胆碱的能力，这可能是神经-脂肪相互作用的重要介质。

研究的讨论部分强调了该模型的创新性和重要意义。与以往研究相比，本研究首次实现了人类来源的皮层神经元与脂肪基质干细胞在三维环境中的长期共培养，并系统评估了细胞间的功能相互作用。培养基的优化（NM-AM）被证明是成功的关键因素之一，其中较高的胰岛素浓度以及抗坏血酸和cAMP等成分可能促进了成脂分化。

神经元对ASCs功能的调节表现出复杂性：一方面促进成脂分化和脂肪酸摄取，另一方面适度抑制脂解作用。这种双向调节作用反映了体内神经-脂肪相互作用的精细平衡。钙信号分析的创新发现揭示了共培养条件下细胞功能活性的动态变化，为理解细胞间通讯提供了新的视角。

特别值得注意的是，ASCs分泌乙酰胆碱的发现表明这些细胞可能通过胆碱能信号主动参与神经-脂肪对话，这为理解脂肪组织的自主调节机制开辟了新途径。不同脂肪因子的分泌模式进一步证实了共培养系统的生理相关性。

该研究的成功建立为未来研究奠定了重要基础。研究人员指出，下一步工作将系统评估神经元和ASCs密度的影响，以及神经元与分化脂肪细胞的空间接近程度。同时，将模型扩展到包括人类外周神经元和成熟脂肪细胞，将有助于实现更接近生理状态的神经支配脂肪组织模型。

这项研究开发的三维神经-脂肪模型不仅为肥胖机制研究提供了新工具，也为代谢性疾病的药物筛选和个性化医疗提供了潜在平台。通过模拟人类特异的神经-脂肪相互作用，该模型有望克服动物模型的局限性，推动对人类能量代谢调控机制的深入理解，最终为肥胖及相关疾病的预防和治疗提供新的策略和靶点。