用于模拟糖尿病性心肌病中心脏-胰岛轴的血管化多类器官芯片的构建

胰岛与心脏之间的动态串扰在糖尿病性心肌病（DCM）中发挥关键但尚未被充分阐明的作用。该研究提出了一种血管化多类器官芯片平台，可实现人诱导多能干细胞（iPSC）来源的血管化心脏类器官（VCOs）与血管化胰岛类器官（VIOs）的灌流共培养。在高糖应激梯度条件下，该系统重现了DCM的关键特征，包括心肌细胞结构解体和血管功能障碍。关键在于，与功能性VIOs共培养可对高糖环境提供显著保护作用，能够通过恢复代谢及收缩相关基因程序减轻心脏损伤。该研究建立了一个模块化且具有生理相关性的模型，可用于解析胰岛在糖尿病性心脏疾病中剂量依赖性的保护作用，并用于筛选靶向器官间通讯的干预策略。

该论文发表于《Bioactive Materials》，聚焦糖尿病性心肌病（diabetic cardiomyopathy，DCM）中“胰岛-心脏轴”的器官间通讯问题。糖尿病性心肌病是独立于冠状动脉疾病的重要心力衰竭驱动因素，其发生不仅与慢性高血糖对心肌的直接毒性有关，也与胰腺、心脏等远隔器官之间复杂而动态的内分泌与代谢互作密切相关。既往二维培养、静态类器官等体外模型虽可部分反映局部组织表型，但由于缺乏血管整合、灌流交换及系统性连接，难以在“器官网络”层面重建胰岛功能衰退与心脏损伤演进之间的双向关系。因此，建立兼具人源相关性、可控代谢环境和定量化器官互作能力的模型，成为深入解析DCM发病机制与寻找干预策略的关键需求。

围绕上述问题，研究人员构建了一个模块化微流控多类器官芯片，将人诱导多能干细胞来源的血管化心脏类器官（vascularized cardiac organoids，VCOs）与血管化胰岛类器官（vascularized islet organoids，VIOs）串联连接，并通过仿生灌流网络维持组织微环境与器官间物质交换。研究显示，该平台不仅可稳定支持两类血管化类器官长期共培养，还能够在不同强度高糖刺激下重建DCM的核心病理表型，包括心肌肌节结构崩解、肌原纤维排列紊乱、线粒体损伤、脂滴堆积、微血管网络破坏、活性氧（ROS）升高、细胞死亡增加及纤维化增强。更重要的是，功能性胰岛在中度高糖条件下可明显减轻心脏损伤，而在极端高糖条件下其保护作用明显受限，提示胰岛代偿能力对糖尿病中心脏损伤进展具有决定性影响。转录组分析进一步表明，胰岛的保护作用与恢复氧化磷酸化、三羧酸（TCA）循环、线粒体组织及心肌收缩程序，以及抑制AGE-RAGE、NF-κB、TNF、TGF-beta等损伤通路密切相关。该研究的重要意义在于，将“胰岛-心脏轴”由临床相关性提升到可实验操控的机制研究层面，并为代谢性疾病中器官间通讯的研究与药物筛选提供了可扩展平台。

主要技术方法方面，研究人员首先通过人诱导多能干细胞（hiPSCs）定向分化获得心肌细胞、内皮细胞和血管平滑肌细胞，组装形成VCOs；同时利用来源于天津Human Islets Resource Center、取自死亡器官捐献者胰腺的人胰岛，与hiPSC来源内皮细胞构建VIOs。随后设计带有六边形微柱阵列的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片，以外接蠕动泵实现串联灌流共培养。研究综合采用整体免疫荧光、流式细胞术、钙瞬变成像、葡萄糖刺激胰岛素分泌（GSIS）、透射电子显微镜（TEM）、灌流示踪及bulk RNA-seq等方法，对结构、功能、超微结构和分子通路进行系统分析。

在结果部分，论文首先在“2.1. Generation of cardiovascular cells from human induced pluripotent stem cells”中说明，研究人员通过化学定义分化方案，分别获得高纯度hiPSC来源内皮细胞、血管平滑肌细胞及心肌细胞。CD34磁珠分选后，内皮细胞表现出稳定的CD31表达，平滑肌细胞共表达α-SMA与calponin，代谢纯化后的心肌细胞具有清晰肌节结构，为后续构建血管化心脏类器官奠定了可靠细胞基础。

在“2.2. Construction and characterization of vascularized cardiac organoids”中，三类细胞按优化比例自组装形成VCOs。结果显示，VCOs在培养20天后形成具有管腔的层级化微血管网络，血管多数被PDGFRβ阳性周细胞包裹，平均直径约800 μm，血管口径分布与生理微血管接近。功能上，血管化提高了心肌钙瞬变振幅，使搏动频率维持于约50 BPM；同时，VCOs对普萘洛尔、维拉帕米、2-DG和blebbistatin产生符合心肌生理规律的药理响应，证明其兼具结构成熟性与功能相关性。

在“2.3. Construction and functional enhancement of vascularized islet organoids”中，研究人员针对胰岛与内皮细胞难以直接共组装的问题，建立了“两步法”制备VIOs：先在胶原/Matrigel复合基质中形成整体血管化胰岛组织，再将其微切割并重组为单个球形VIOs。所得VIOs直径约900 μm，血管面积约13%，内部微血管口径同样具有生理层级性。GSIS实验表明，VIOs较非血管化对照具有更强的葡萄糖刺激胰岛素分泌能力；存活性检测与条件培养液实验提示，血管相关旁分泌信号可减少胰岛凋亡并维持长期功能。

在“2.4. Design and characterization of a modular microfluidic platform for vascularized organoid Co-culture”与“2.5. Microfluidic platform enabling efficient perfusion of vascularized organoids”中，研究人员介绍了多类器官芯片的工程设计。芯片利用六边形微柱阵列实现类器官稳定捕获，并通过主流道与灌流支路的分流设计，使培养液既可实现系统循环，又能充分灌注每个类器官。示踪实验显示，不同流速下两个腔室的灌流动力学可调，且在连续灌流2天内无类器官丢失。BSA-Cy5分布证明腔室内对流输送均一；FITC标记CD31抗体灌流与总CD31染色共定位，进一步证实类器官内血管管腔可被灌流液有效进入，具备真实的通透管腔功能。

在“2.6. Transcriptomic evidence of functional maturation and homeostatic regulation in normoglycemic (NG) Co-culture”中，研究人员分析了正常糖条件下VIOs对VCOs的影响。RNA测序显示，共培养可上调氧化磷酸化、线粒体基因表达、有氧呼吸、心肌收缩和紧密连接相关通路，下调Wnt、Notch、TGF-beta、内质网应激及部分发育相关程序，说明胰岛信号可促进心脏类器官代谢成熟与稳态维持。结合GLUT4免疫染色和钙瞬变结果，研究进一步表明，VIOs共培养增强了VCOs的葡萄糖敏感性和钙处理能力，但并未简单加快搏动频率。

在“2.7. Simulation of diabetic cardiomyopathy using a hyperglycemic (HG) environment”中，研究人员采用0 mM、20 mM和70 mM附加葡萄糖分别模拟正常、中度高糖和重度急性高糖状态。结果表明，随着高糖强度增加，VCOs中肌节从规则平行排列逐步发展为明显断裂、碎片化和散在分布，肌丝排列偏角增加，肌节长度缩短，核间距增大，成功重现DCM中心肌细胞结构破坏和病理性肥大等关键表型，且表现出明确的剂量依赖性。

在“2.8. Protective role of islet organoids in diabetic cardiomyopathy progression”中，研究人员将VIOs引入高糖共培养体系。结果显示，在HG20条件下，VIOs显著减轻肌节损伤，恢复肌丝排列及核间距；而在HG70条件下，这种保护不足以阻止严重肌节解体。TEM进一步证实，高糖导致肌节损伤、脂滴堆积和线粒体嵴破坏、空泡样改变及数量减少；VIOs在中度高糖下可明显缓解脂质沉积和线粒体损伤，但在极端高糖下改善有限。这些结果说明胰岛保护作用存在明显的葡萄糖浓度依赖性，其代偿能力在重度糖毒性状态下会失效。

在“2.9. Vascular dysfunction in diabetic cardiomyopathy modeled by VCOs”中，研究人员进一步证明该模型可同步重建糖尿病相关血管病变。高糖条件下，VCOs血管出现明显扩张和结构破坏，HG70几乎导致血管网络解体。虽然VIO共培养可增加总血管长度和部分网络复杂度，但并不能完全阻止高糖诱导的血管形态损伤，提示内皮细胞本身对糖毒性高度敏感。与此同时，ROS检测、TUNEL/PI染色及COL1A1染色表明，高糖促进氧化应激、细胞死亡和纤维化，而VIOs可在一定程度上降低这些病理改变，从多个层面支持其心脏保护效应。

在“2.10. RNA sequencing reveals molecular pathology and the protective role of islet Co-culture”中，转录组结果进一步将表型与分子机制对应起来。HG70相较正常组出现1882个差异表达基因，下调通路集中于心肌收缩、cGMP-PKG信号、细胞质翻译和有氧呼吸，解释了收缩结构崩溃与能量缺陷；上调通路则包括AGE-RAGE、NF-κB、TNF、TGF-beta以及脂质与动脉粥样硬化相关通路，对应炎症、氧化应激、纤维化和血管异常。加入VIOs后，这些损伤通路被显著抑制，同时氧化磷酸化、柠檬酸循环、线粒体组织和谷胱甘肽代谢等通路被重新激活。趋势分析显示，被胰岛“救援”的核心基因群主要涉及心肌收缩、蛋白翻译、TCA循环和线粒体功能，说明胰岛的保护效应集中于恢复心肌最基本的代谢与收缩程序，而非非特异性广泛调节。

讨论部分强调，该研究的核心创新在于把血管化类器官与可控灌流微流控系统结合，重建了具有生理相关性的“胰岛-心脏轴”，从而弥补了传统单类器官和静态共培养模型难以模拟远程器官通讯的不足。研究表明，在中度高糖阶段，只要胰岛仍保持一定功能代偿，便可显著缓冲高糖引起的心脏结构与分子损伤；而当糖毒性加剧时，这种保护迅速衰减。这一结果为临床上糖尿病早期心功能相对稳定、而随着胰岛功能耗竭心衰风险明显上升的现象提供了实验支持。作者同时指出，具体介导心脏保护的分子因素，如胰岛素、外泌体或其他旁分泌因子，尚待进一步解析；此外，当前模型尚未整合免疫细胞，未来可进一步构建“免疫-代谢-心脏”复合轴模型。总体而言，该工作不仅建立了可扩展的多器官疾病建模平台，也提示研究代谢性疾病时必须将器官间通讯纳入核心框架。

研究结论部分可概括翻译为：该研究不仅建立了一种强有力的血管化多器官芯片平台，而且揭示了胰岛在糖尿病性心肌病中不可或缺且依赖葡萄糖浓度的保护功能。相关发现强调，在代谢性疾病研究中必须重视器官间通讯，并将“胰岛-心脏轴”从临床相关现象提升为可进行因果机制探索的研究对象。该工作为开发靶向糖尿病性心肌病的新型治疗策略提供了稳健的实验框架。