Nature子刊（IF=26.6）：华人学者构建“芯片上的衰老”，4天重现人体几十年衰老过程，快速筛选抗衰老药物

杂志名称：Nature Biomedical Engineering

影响因子：26.6
文章题目：Human microphysiological systems of aging recreate the in vivo process expediting evaluation of anti-geronic strategies
第一作者：Lin Qi
通讯作者：Irina M. Conboy, Andreas Stahl
作者单位：美国加州大学伯克利分校生物工程系；Generation Lab，旧金山，等；

本实验所用产品：AAH-BLG-1(检测507种人类样本中微量表达功能细胞因子）

实验样品类型：细胞裂解液

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研究摘要

全球约10%的人口年龄超过60岁，老龄化相关疾病负担日益加重。然而，目前缺乏能够快速、准确地模拟人体组织衰老的体外模型，尤其缺乏能够再现脂肪-肝脏轴相互作用和系统性衰老信号传导的平台。本研究利用人诱导多能干细胞（hiPSC）来源的白色脂肪组织（WAT）和肝脏微生理系统（MPS），结合异时性人血清处理，首次实现了在4天内快速建立人体需数十年才出现的衰老表型。该系统不仅揭示了脂肪衰老对肝脏的“传播效应”、性别二态性、转录噪音等新型衰老机制，还实现了对多种抗衰老药物的快速筛选，并验证了血清置换对逆转衰老的有效性。

 

研究结果

1、 老年血清在4天内快速诱导脂肪和肝脏MPS的衰老表型（on-chip aging）

研究人员使用人iPSC来源的WAT和肝脏MPS，分别用年轻（21-34岁）或老年（>62岁）人血清处理4天。结果显示，老年血清（OCM）显著诱导了脂肪和肝脏MPS中多种衰老标志物的表达，包括细胞衰老（SA-β-gal、CDKN2A/p16）、氧化DNA损伤（8-OHdG）、衰老相关分泌表型（SASP，如TNF、IL-6）、脂代谢紊乱和胰岛素抵抗（图1）。这些变化通常在人体中需数十年才会出现。这一结果表明，on-chip aging能够在极短时间内重现人体自然衰老的关键分子和功能特征。

2、 OCM预处理的脂肪MPS可诱导肝脏MPS的衰老，即使无持续OCM暴露（on-chip aging + antibody array）

通过将OCM或YCM预处理的脂肪MPS与未处理的肝脏MPS串联灌流，利用RayBio抗体芯片（AAH-BLG-1，507种人类样本中微量表达功能细胞因子） 检测发现，OCM预处理的脂肪MPS可在肝脏MPS中诱导衰老、炎症和胰岛素抵抗标志物（IL6, CDKN2A, PCK1, SREBP1c），表明脂肪衰老可通过分泌因子“传播”至肝脏（图2）。抗体芯片在此用于检测流出培养基和细胞裂解液中SASP因子的蛋白水平变化，提供了脂肪-肝脏间信号传递的直接分子证据。

此外，BONCAT蛋白组学分析结合抗体芯片AAH-BLG-1(检测507种人类样本中微量表达功能细胞因子）进一步揭示，OCM促进了炎症相关蛋白（如TNF、IL-6）的合成，而YCM则促进生长因子和代谢稳态相关蛋白的合成。这种on-chip aging与抗体芯片的联合使用，使得研究能够在蛋白水平验证转录组发现的炎症基因表达变化，并发现转录-翻译不一致的调控机制。

3、 芯片上衰老模型的转录组与人体自然衰老高度一致（on-chip aging）

对OCM和YCM处理的脂肪MPS进行RNA-seq分析，主成分分析（PCA）清晰区分了年轻和老年血清处理组。与GTEx人体脂肪组织数据库对比发现，芯片上衰老的差异表达基因与人体自然衰老高度重叠，包括炎症、代谢、DNA损伤、TORC2等通路（图3）。研究团队还基于GTEx数据训练了机器学习年龄预测模型，发现芯片上脂肪MPS的预测年龄与血清供体的实际年龄高度一致。这一结果证实了on-chip aging在转录组水平上高度保真地再现了人体自然衰老。

4、 鉴定出11个与人体衰老一致的核心衰老标志物

通过与GenAge、Aging Atlas等数据库交叉比对，研究鉴定出11个在GTEx人体数据、芯片衰老模型中一致变化的衰老标志物，包括CXCL8/IL8、JUN、FOS、CDKN2A、IL6等（图4）。这些基因在OCM处理下平均上调1.91倍，与人体衰老趋势一致。此外，研究还发现37个与“转录噪音”相关的基因，其表达变异性在老年血清处理组中显著升高，进一步支持衰老与基因表达调控紊乱相关。这些发现展示了on-chip aging在识别保守衰老标志物方面的强大能力。

5、 肝脏衰老模型揭示直接血清暴露与脂肪介导的衰老具有不同机制

比较直接OCM处理肝脏MPS与OCM预处理脂肪诱导的肝脏衰老，发现前者更依赖生长因子（BDNF, GDF15, NRG1），而后者则表现出更强的炎症特征（IL6, PTGS2, CCL20），但两者均与GTEx肝脏衰老数据部分重叠（图5）。CDKN2B是两者共有的标志物，提示其在肝脏衰老中的潜在中枢作用。这些结果进一步说明了on-chip aging在解析组织特异性衰老机制方面的独特优势。

6、 多种抗衰老药物筛选及血清置换实现快速逆转衰老

研究中测试了多种抗衰老策略，包括senolytics（D+Q）、TGFβ抑制剂（ALK5i）、催产素（OT）、雷帕霉素（Rapa）及血清稀释。结果显示，血清稀释联合OT或D+Q最有效地降低衰老标志物、恢复胰岛素敏感性、改善脂代谢（图6）。此外，OCM处理后切换为YCM（OY）可显著逆转衰老表型，而YCM切换为OCM（YO）则加速衰老，表明系统性环境对组织“年龄记忆”具有快速调控作用。这些功能验证实验充分体现了on-chip aging在抗衰老药物筛选中的高效性和临床相关性。

 

 

研究结论

本研究首次构建了基于人iPSC的脂肪-肝脏轴微生理系统，能够在4天内快速再现人体需数十年才出现的衰老特征。该系统不仅揭示了脂肪衰老对肝脏的“传播效应”、性别二态性、转录噪音等新型衰老机制，还实现了对多种抗衰老药物的快速筛选，并验证了血清置换对逆转衰老的有效性。

 

 

抗体芯片

本研究中，抗体芯片（AAH-BLG-1）被用于结合BONCAT技术，检测衰老或年轻血清处理下脂肪微生理系统（WAT MPS）中新合成蛋白的分泌谱，揭示老年血清（OCM）主要诱导炎症相关蛋白（如TNF、IL-6等SASP因子），而年轻血清（YCM）则促进生长与修复相关蛋白的合成。