胰岛-肝类器官在芯片上的双向代谢对话、疾病建模与药物测试

 

北 京 基 尔 比 生物科技公司主营产品：

Kilby 多通道3D活细胞自动灌流培养系统

Kilby Gravity 微超重力三维细胞培养系统，

动植物/微生物的地面重力环境模拟装置【可以定制】，

Kilby Bio类器官培养摆动式精密灌注摇床，

Kirkstall Quasi Vivo 类器官3D串联仿生共培养系统

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（一）人类多能干细胞（hPSC）来源的肝类器官（sc-liver organoids） 和 胰岛类器官（sc-islet organoids） 的培养步骤，涵盖从干细胞起始到成熟类器官的全过程

✅ 一、sc-肝类器官（sc-liver organoids）

📌 起始细胞：

• 人类胚胎干细胞（hESC，H1系）或诱导多能干细胞（iPSC，WTC-11 或 WTSIi013-A）

📌 培养基准备：

• 干细胞培养：mTeSR 或 E8 培养基 + Geltrex（0.1% v/v）
• 所有阶段均在 37°C、5% CO₂ 条件下进行

📌 分化步骤（共10阶段，约30天）：

阶段

天数

培养基组成

关键因子

1. 定型内胚层

Day 0–1

IMDM/F12 + 1% lipid concentrate + transferrin + Activin A (100 ng/mL) + CHIR99021 (3 μM) + PI-103 (50 nM)

Activin A, CHIR99021

Day 1–3

同上，去除 CHIR/PI-103，仅保留 Activin A

Activin A

2. 肝祖细胞诱导

Day 3–6

IMDM/F12 + N2 + B27(-VitA) + lipid concentrate + FGF2 (10 ng/mL) + BMP4 (20 ng/mL)

FGF2, BMP4

3. 肝母细胞扩增

Day 6–9

同上 + A8301 (5 μM) + HGF (20 ng/mL)

HGF, A8301

4. 肝细胞成熟前期

Day 9–12

同上 + HGF (25 ng/mL) + DMSO (1%)

HGF, DMSO

5. 类器官形成

Day 12–13

用 Accutase 消化细胞 → 转入 agarose U-bottom microwells → 形成球体

Y-27632, Dexamethasone, ITS, Oncostatin M

6. 肝类器官成熟

Day 13–23

William’s E + 5% FBS + HGF + Oncostatin M + ITS + Dexamethasone

HGF, Oncostatin M

7. 最终成熟

Day 23–33

William’s E + ITS + Dexamethasone + Oncostatin M + NEAA + DAPT（10 μM）

DAPT（Notch抑制剂）

✅ 二、sc-胰岛类器官（sc-islet organoids）

📌 起始细胞：

• 人类胚胎干细胞（H1系）

📌 培养基准备：

• 干细胞培养：Essential 8 medium + Geltrex（1:50稀释）

📌 分化步骤（共6阶段，约30-35天）：

阶段

天数

培养基组成

关键因子

1. 定型内胚层

Day 0–1

MCDB131 + CHIR99021 (3 μM) + Activin A (100 ng/mL)

CHIR, Activin A

Day 1–4

MCDB131 + Activin A (100 ng/mL)

Activin A

2. 原始肠管

Day 4–6

MCDB131 + VitC (0.255 mM) + IWP2 (1.25 μM) + KGF (50 ng/mL)

KGF, IWP2

3. 后前肠

Day 6–8

MCDB131 + LDN193189 (0.2 μM) + TPPB (0.2 μM) + RA (2 μM) + SANT1 (0.25 μM) + KGF

RA, SANT1, LDN

4. 胰腺前体

Day 8–12

同上，RA降至0.1 μM

RA, SANT1

5. 内分泌前体

Day 12–13

MCDB131 + ALK5抑制剂II (10 μM) + T3 (1 μM) + XXI (1 μM) + Latrunculin A (1 μM)

ALK5抑制剂, T3

Day 13–19

同上，去除Latrunculin A

ALK5抑制剂, T3

6. 胰岛成熟

Day 19–26

ESFM（无血清强化培养基）

每日换液

7. 类器官形成

Day 26–33

TrypLE消化 → 转入超低吸附板 → 摇床培养 → 形成胰岛球体【北京基尔比生物公司提供类器官培养精密摇床，适配类器官芯片，细胞培养孔板，玻底培养皿等】

✅ 三、类器官共培养（on-chip）【北京基尔比生物提供Kirkstall Quasi Vivo 3D串联芯片仿生共培养系统】

📌 芯片准备：

• 使用 dual-rOoC 芯片（无泵循环微流控平台）
• 胰岛类器官：3–9个/芯片
• 肝类器官：5–15个/芯片
• 基质：Geltrex（15 μL）与类器官混合后注入芯片腔室

📌 共培养基组成（1:1混合）：

• William’s E + MCDB131
• 添加：ITS、Trace Elements A/B、NEAA、GlutaMAX、BSA、ZnSO₄
• 不含胰岛素（由胰岛类器官分泌提供）
• 不含糖皮质激素（避免干扰代谢）

📌 培养条件：

• 每24小时换液
• 37°C、5% CO₂
• 可维持共培养 ≥14天，保持功能与代谢活性

✅ 附：关键试剂与供应商（部分）

试剂

供应商

目录号

Geltrex

Thermo Fisher

A1413201

CHIR99021

Selleckchem

S2924

Activin A

PeproTech

120-14

HGF

PeproTech

100-39H

Oncostatin M

PeproTech

300-10

Dexamethasone

Sigma

D4902

DAPT

Sigma

D5942

William’s E

Gibco

12551-032

ITS

Gibco

51500056

TrypLE

Gibco

12604013

（二）无泵循环微流控平台（dual pump-less recirculating organ-on-chip, dual-rOoC） 是本文整个研究的核心技术载体

功能类别

具体实现

技术亮点

1. 无泵循环

通过重力驱动+周期性倾斜平台实现液体循环，无需外接泵或管道

简化系统结构，提升可扩展性与易用性

2. 双回路独立控制

设备内设两条独立流体回路，分别培养胰岛类器官与肝类器官

可独立采样、分析各器官的分泌组

3. 双向分子交换

两回路间由多孔膜隔开，允许胰岛素、葡萄糖、细胞因子等分子双向扩散

模拟体内胰岛-肝脏代谢对话

4. 模拟代谢疾病状态

通过添加脂肪酸+果糖构建“肥胖模型”，诱导脂肪堆积、胰岛素抵抗

成功复现T2DM/MASLD早期病理特征

5. 药物测试平台

在芯片中测试二甲双胍、托布酰胺、TEPP46等抗糖尿病药物

结果与临床/动物模型一致，具备预测性

✅ 二、结构与设计作用

✅ 三、在实验中的具体作用

✅ 1. 维持类器官功能

• 胰岛类器官：持续分泌胰岛素与胰高血糖素，响应葡萄糖刺激（GSIS）
• 肝类器官：摄取胰岛素、消耗葡萄糖，维持白蛋白/尿素分泌与CYP酶活性

✅ 2. 模拟代谢对话

• 胰岛分泌的胰岛素被肝细胞摄取 → 促进肝糖摄取
• 肝糖输出与胰岛激素调节形成闭环 → 维持5–7 mM的生理血糖水平

✅ 3. 构建疾病模型

• 添加脂肪酸+果糖 → 诱导肝脂肪变性（Nile Red染色证实）
• 胰岛素摄取下降 → 模拟胰岛素抵抗
• 促炎因子（IL-6、MCP-1）升高 → 模拟慢性低度炎症状态

✅ 4. 药物响应验证

✅ 四、技术优势总结，Adv. Healthcare Mater. 2024, 13, 2303785

Kirkstall Quasi Vivo®类器官串联3D仿生共培养系统