植入式柔性電子揭示人類胰島細(xì)胞電成熟機(jī)制

從干細(xì)胞分化得到的人源胰島類器官，被認(rèn)為是糖尿病治療和藥物篩選的關(guān)鍵突破口。然而，一個長期困擾領(lǐng)域的難題始終沒有解決——這些體外構(gòu)建的“人造胰島”功能不夠成熟。它們對葡萄糖的響應(yīng)精度不足，激素分泌動力學(xué)不夠穩(wěn)定，難以真正模擬成人胰島的狀態(tài)。究竟是α與β細(xì)胞之間缺乏協(xié)調(diào)，還是單個細(xì)胞本身成熟度存在差異？更關(guān)鍵的是，我們一直缺乏一種技術(shù)，能夠在完整三維組織內(nèi)部、長期、單細(xì)胞分辨率地追蹤它們的電活動演變過程。

今日，哈佛大學(xué)劉嘉教授團(tuán)隊聯(lián)合賓夕法尼亞大學(xué)Juan R. Alvarez-Dominguez教授共同將可拉伸、組織級柔性的網(wǎng)狀納米電子器件直接植入干細(xì)胞來源的胰腺類器官內(nèi)部，構(gòu)建出“賽博胰腺類器官”（cyborg pancreatic organoids），實(shí)現(xiàn)了數(shù)月尺度的單細(xì)胞電生理監(jiān)測，并結(jié)合原位電測序與單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，首次系統(tǒng)揭示了人類胰島細(xì)胞電成熟的動態(tài)規(guī)律。這項工作為構(gòu)建真正功能成熟的人源胰島提供了關(guān)鍵技術(shù)平臺。相關(guān)成果以“Implanted flexible electronics reveal principles of human islet cell electrical maturation”為題發(fā)表在《Science》上，Qiang Li、Ren Liu、Zuwan Lin、Xinhe Zhang和Wenbo Wang為共同第一作者。

劉嘉 在納米電子學(xué)和生物電子學(xué)領(lǐng)域擁有超 15 年研究經(jīng)驗(yàn)，他本科就讀于復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系，師從趙東元院士。在哈佛大學(xué)師從 Charles M. Lieber 教授完成博士研究，期間主要進(jìn)行納米電子器件應(yīng)用于腦機(jī)接口的研究。隨后，在斯坦福大學(xué)鮑哲南教授以及 Karl Deisseroth 教授實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究，這一時期更多專注柔性電子器件以及基因工程在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。2019 年，劉嘉回到哈佛大學(xué)并擔(dān)任助理教授。2021 年， 劉嘉 與其學(xué)生 Paul Le Floch 博士，以及 Tianyang Ye 博士聯(lián)合創(chuàng)辦 Axoft Inc.。神經(jīng)技術(shù)公司Axoft Inc. 推出并宣布其腦機(jī)接口（BMI）產(chǎn)品已獲得 FDA 突破性設(shè)備許可，以更好地治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病。同時， 該公司還完成了 800 萬美元（約5752萬人民幣）的種子輪融資。

賽博胰腺類器官的構(gòu)建與單細(xì)胞電信號捕獲

研究團(tuán)隊將可拉伸網(wǎng)狀納米電子器件與干細(xì)胞來源的胰腺細(xì)胞共同培養(yǎng)，在基質(zhì)膠支撐下進(jìn)行三維自組裝（圖1A）。隨著間充質(zhì)干細(xì)胞參與組織重塑，電子網(wǎng)格被自然“包裹”進(jìn)類器官內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)真正的三維嵌入式結(jié)構(gòu)。圖1B的三維熒光成像清楚顯示，電子互連結(jié)構(gòu)在類器官內(nèi)部均勻分布，并與表達(dá)胰島素（INS）或胰高血糖素（GCG）的細(xì)胞緊密接觸。這一步非常關(guān)鍵——它證明電極記錄到的是功能細(xì)胞信號，而不是表面噪聲。更重要的是，圖1C–E的單細(xì)胞RNA測序分析表明，植入電子器件并未改變細(xì)胞組成。SC-α、SC-β以及其他內(nèi)外分泌細(xì)胞比例與對照組一致，基因表達(dá)模式高度重疊。也就是說，這個“賽博化”過程本身是溫和且生物相容的。隨后圖1F和圖1G展示了電信號分選流程。通過300–3000 Hz帶通濾波提取動作電位尖峰，再根據(jù)波形特征進(jìn)行聚類，將同一電極上的多細(xì)胞信號拆分成單細(xì)胞級別的放電序列。原本混雜的電信號，被成功分離為一個個“獨(dú)立細(xì)胞聲音”。

圖1：柔性網(wǎng)狀納米電子器件嵌入胰腺類器官并實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞電信號分選

α與β細(xì)胞的電活動身份確認(rèn)

圖2進(jìn)入功能驗(yàn)證階段。根據(jù)經(jīng)典生理學(xué)規(guī)律，α細(xì)胞在低糖（2.8 mM）條件下更活躍，而β細(xì)胞在高糖（20 mM）條件下放電增強(qiáng)。圖2C顯示，一類細(xì)胞在低糖條件下放電頻率高，升糖后顯著下降，同時胰高血糖素分泌量同步降低；圖2D則呈現(xiàn)相反趨勢——高糖下放電頻率顯著提高，胰島素分泌同步增強(qiáng)。電活動變化與ELISA檢測到的激素分泌量高度一致。這意味著研究團(tuán)隊不僅“看見了電”，而且電信號真實(shí)反映了分泌功能。進(jìn)一步通過托布他胺（KATP抑制劑）、福斯可林以及TTX等藥理干預(yù)實(shí)驗(yàn)，α、β細(xì)胞分別表現(xiàn)出符合經(jīng)典機(jī)制的特異響應(yīng)。這一步，相當(dāng)于為電信號定義細(xì)胞身份提供了功能層面的鐵證。

圖2：α樣與β樣細(xì)胞在低糖/高糖條件下的電活動與激素分泌驗(yàn)證

電活動與轉(zhuǎn)錄狀態(tài)一一對應(yīng)

電信號是功能表現(xiàn)，但背后對應(yīng)什么基因狀態(tài)？圖3給出了答案。研究團(tuán)隊在完成電記錄后，進(jìn)行“原位電測序”（in situ electro-sequencing），通過電子條形碼定位電極位置，再進(jìn)行空間轉(zhuǎn)錄組分析（圖3A）。圖3E顯示，記錄到α樣電活動的電極區(qū)域，細(xì)胞主要表達(dá)GCG；記錄β樣電活動的區(qū)域則富集INS表達(dá)。圖3F和圖3G進(jìn)一步表明，電定義的細(xì)胞類型與轉(zhuǎn)錄定義高度匹配。這意味著，電生理狀態(tài)與分子身份實(shí)現(xiàn)了真正的空間對齊。功能與基因表達(dá)第一次在同一三維組織中完成整合。

圖3：原位電測序?qū)崿F(xiàn)電活動與單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄狀態(tài)空間對齊

成熟不是數(shù)量變化，而是功能增強(qiáng)

圖4是這項研究最核心的發(fā)現(xiàn)之一。研究團(tuán)隊在第2至第7周持續(xù)追蹤同一批類器官。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，α和β細(xì)胞并非單一電狀態(tài)，而是可分為低基礎(chǔ)放電與高基礎(chǔ)放電兩類（α1/α2、β1/β2）（圖4C、圖4D）。隨著培養(yǎng)時間延長，兩類細(xì)胞在刺激條件下的放電頻率均顯著上升（圖4E、圖4F），但比例并未發(fā)生顯著改變。這說明成熟并不是“新成熟細(xì)胞增加”，而是原有細(xì)胞電響應(yīng)能力逐漸增強(qiáng)。圖4G–J的偽時序分析揭示，成熟過程中核糖體生成、囊泡運(yùn)輸、溶酶體功能及能量代謝相關(guān)通路逐步上調(diào)。電活動增強(qiáng)，背后是代謝與分泌網(wǎng)絡(luò)的同步優(yōu)化。成熟，是一個功能強(qiáng)化過程，而非簡單結(jié)構(gòu)變化。

圖4：長期培養(yǎng)中α、β細(xì)胞電活動增強(qiáng)及成熟軌跡分析

晝夜節(jié)律重塑電活動與分泌節(jié)律

最后，圖5把故事推向高潮。研究團(tuán)隊引入24小時葡萄糖/福斯可林“沖擊-恢復(fù)”代謝循環(huán)，模擬晝夜節(jié)律（圖5A）。結(jié)果令人驚訝——經(jīng)過4天節(jié)律訓(xùn)練后，α與β細(xì)胞放電頻率出現(xiàn)明顯的24小時振蕩（圖5D、圖5E），并與胰高血糖素和胰島素分泌節(jié)律同步（圖5F、圖5G）。相比之下，未節(jié)律化樣本電活動逐漸衰減。更進(jìn)一步，圖5H顯示動作電位波形本身也呈現(xiàn)時間依賴變化，說明晝夜節(jié)律不僅改變放電頻率，還調(diào)控細(xì)胞膜電特性。轉(zhuǎn)錄組分析（圖5I、圖5J）發(fā)現(xiàn)電壓門控Na?、K?、Ca2?通道基因顯著上調(diào)，細(xì)胞間連接分子增強(qiáng)。節(jié)律訓(xùn)練重塑了離子通道表達(dá)與細(xì)胞通信網(wǎng)絡(luò)。電成熟，竟然是可以被“訓(xùn)練”出來的。

圖5：晝夜代謝節(jié)律誘導(dǎo)的電活動振蕩與基因調(diào)控機(jī)制

小結(jié)

這項研究首次在完整三維胰腺類器官中，實(shí)現(xiàn)了長期、單細(xì)胞分辨率的電活動追蹤，并將其與轉(zhuǎn)錄狀態(tài)、晝夜節(jié)律及外源刺激調(diào)控深度整合。結(jié)果表明，胰島成熟是一個電活動與代謝網(wǎng)絡(luò)協(xié)同優(yōu)化的過程，晝夜節(jié)律在其中發(fā)揮關(guān)鍵同步作用，而電刺激則提供了主動增強(qiáng)功能的可能。賽博胰腺類器官平臺，不僅為理解人類胰島電成熟機(jī)制提供了系統(tǒng)工具，也為未來構(gòu)建可調(diào)諧、可移植的功能性人源胰島打開了新路徑，有望加速糖尿病再生治療和藥物篩選的進(jìn)程。