流动微流控技术解析脂肪细胞与β细胞间脂肪因子与胰岛素介导的互作机制及其在2型糖尿病中的病理意义

这篇综述创新性地采用集成微特斯拉泵（μTesla）的流动微流控系统，动态模拟肥胖状态下脂肪细胞与胰腺β细胞间的双向通讯。研究揭示高糖环境通过胰岛素-IL-6正反馈环路（feed-forward loop）同步促进脂肪因子（IL-6/TNF-α/Adiponectin）分泌和β细胞胰岛素释放，为2型糖尿病（T2D）中高胰岛素血症和慢性炎症的病理机制提供了新型体外模型。该微流控平台突破了传统静态培养局限，为代谢疾病研究提供了高时空分辨率的工具。

　　

流动微流控技术揭示脂肪-β细胞互作机制

Abstract

肥胖相关β细胞功能障碍是2型糖尿病（T2D）发病的核心环节，传统静态培养难以模拟脂肪组织与胰腺β细胞的动态互作。本研究开发了集成微特斯拉泵（μTesla）的循环微流控系统，实现了3T3-L1脂肪细胞与INS1 β细胞的可控共培养。该系统首次证实：流动培养条件下，高糖与胰岛素协同促进脂肪细胞分泌IL-6、TNF-α和脂联素（Adiponectin），而脂肪源性IL-6又进一步刺激β细胞胰岛素分泌，形成正反馈循环。这一机制可能是肥胖相关T2D中高胰岛素血症和慢性炎症的基础。

1 Introduction

肥胖作为全球公共卫生挑战，是胰岛素抵抗和T2D的主要风险因素。在肥胖状态下，脂肪组织通过分泌促炎因子（如TNF-α、IL-6）和代谢调节因子（如脂联素、瘦素）参与全身代谢调控。传统Transwell共培养系统依赖被动扩散，无法模拟生理性体液循环。本研究创新性地将特斯拉涡轮原理转化为微流控泵（μTesla pump），通过边界层流实现950 μL/min的稳定循环流速，较传统方法显著提升分子转运效率。

2 Experimental Section

2.1 微流控器件制备

采用熔融沉积建模（FDM）技术打印聚乳酸（ASA）材质的微流控通道和μTesla泵转子（直径1 cm），转子内置极性排列的磁铁。经盐酸和SDS表面处理后，泵体产生稳定层流（剪切应力仅1.1792 mPa），远低于细胞损伤阈值（0.1-0.3 Pa）。共培养腔室通过等离子体键合封装，总循环体积1 mL。

2.2 细胞模型建立

3T3-L1前脂肪细胞经三碘甲状腺原氨酸（T3）、曲格列酮和地塞米松诱导分化为成熟脂肪细胞，第6天引入INS1 β细胞共培养。通过活死染色（Calcein-AM/EthD-1）验证，流动共培养（CC+F）使细胞存活率提升至72.03%（脂肪细胞）和63.16%（β细胞），显著高于静态组（p<0.0001）。油红O染色显示流动促进脂滴积累（15.5±0.9 μm vs 静态组7.9±0.6 μm）。

3 Results

3.1 流动增强代谢活性

线粒体ATP检测显示，流动使脂肪细胞ATP合成增加2.3倍，ROS生成同步升高。共培养进一步放大该效应，β细胞的钙内流（Fura-2 AM检测）在25 mM葡萄糖刺激下增强4.1倍，提示流动环境优化细胞功能。

3.2 胰岛素-IL-6正反馈环路

胰岛素剂量依赖性地刺激脂肪细胞分泌IL-6（50-10000 pg/mL胰岛素使IL-6分泌量提升8倍），而外源IL-6（10-100 ng/mL）使β细胞胰岛素分泌增加3.5倍。这种互作在流动条件下更为显著（p<0.001），形成自强化循环。

3.3 高糖驱动的病理转化

25 mM葡萄糖刺激下，共培养系统呈现爆发性反应：

• IL-6分泌第3天达首日的4.2倍

• TNF-α水平升高3.8倍

• 脂联素呈现指数增长（R²=0.98）

• β细胞胰岛素分泌超静态培养2.1倍

4 Discussion

该研究首次在微流控环境中重现了肥胖-T2D转化的关键特征：

1）胰岛素通过PPARγ通路促进脂肪细胞分化，同时诱导IL-6分泌；

2）IL-6通过JAK-STAT通路增强β细胞钙信号和胰岛素释放；

3）慢性高糖导致TNF-α/IL-6比例失衡，最终引发β细胞代偿衰竭。

该平台为解析代谢疾病中器官互作提供了新范式，未来可应用于GLP-1受体激动剂等药物的高通量筛选。