Adv Sci：把肝脏塞进一颗微球，清华大学林金明等通过血管化肝芯片用丙氨酸-葡萄糖循环复刻小叶功能

肝脏是人体最大的代谢器官，以肝小叶这一基础结构单元统筹等生理过程。肝小叶内包含多种细胞，各类细胞有序排布形成精密微结构，调控物质代谢流转与细胞间信号交流。

但现有体外模型无法复刻肝小叶多细胞空间排布与血管界面结构，极大制约肝脏机制研究与临床前药物评价工作。因此，亟需一种可规模化制备、贴合生理特征的肝脏微组织模型，同时兼顾结构还原度、完整代谢功能与高通量制备特性。

为精准复刻肝脏复杂微环境，科研人员已研发多种体外肝脏模型。传统二维（2D）细胞培养操作简便，但缺失维持生理应答必需的三维（3D）空间结构与异源细胞间信号传导。细胞球与类器官体系可改善细胞间交互作用，却存在重复性差、成熟周期长、物质扩散受限、代谢交叉调控受阻等缺陷。

近年来微加工技术取得突破，可可控构建几何结构可调的多细胞复合体。但当前多数方案仅能随机包裹细胞，空间排布调控能力弱，且缺失定向物质转运、功能分区所必需的血管屏障结构。综上，构建具备有序空间排布、内置血管微区的体外人工肝小叶仍是尚未攻克的工程难题。

本研究构建血管化微球肝芯片（VLOM）体系，可在单个水凝胶微球内部复刻类肝小叶结构与生理功能。受天然肝小叶放射状排布结构启发，本研究自主开发微流控-气溶胶制备工艺，合成具有六分区结构、表面粗糙度可调控的海藻酸钠微球。

分区内腔可分别空间包裹肝细胞（HepG2）、肝星状细胞（LX-2）与类库普弗THP-1细胞，在微小密闭空间内重建实质细胞与非实质细胞的相互作用。同时，人工设计的粗糙表面可吸附基质胶，诱导内皮细胞自组装形成单层半透屏障，模拟体内肝窦结构，实现定向物质扩散与信号交换。

图形摘要（图源自

Advanced Science

）

VLOM形态均一、结构稳定、细胞存活率高，肝脏功能显著提升：白蛋白、尿素合成量增加，细胞色素P4502B6（CYP2B6）与CYP3A4表达上调。代谢组学分析显示模型具备独特代谢表型，丙氨酸-葡萄糖代谢循环被显著激活，该通路是碳代谢与氮代谢偶联的关键途径。

该循环以丙酮酸为中间媒介，实现丙氨酸与葡萄糖双向转化，同步关联糖异生、糖酵解与尿素循环。在微球多细胞共培养环境中，旁分泌信号放大该代谢偶联效应，提升细胞生物合成与解毒能力。采用利福平诱导肝毒性损伤模型验证时，VLOM可维持正常代谢水平，降低丙氨酸氨基转移酶（ALT）、天门冬氨酸氨基转移酶（AST）等损伤标志物；外源补充丙氨酸或葡萄糖可进一步恢复白蛋白与尿素合成，证实丙氨酸-葡萄糖循环对维持肝脏代谢耐受能力具备保护作用。

综上，本研究搭建可规模化生产的VLOM体系，兼具精准空间结构、完整血管功能与复杂代谢通路。多分区设计结合内皮屏障构建，填补了简易细胞培养与高仿真肝脏生理模型之间的技术空白，为药物筛选、肝脏代谢机制研究提供多功能实验平台。

参考消息：https://doi.org/10.1002/advs.76211