皮肤和骨髓串联共培养研究血清对衰老的影响

2025-11-05 11:46:29, 北京佰司特科技北京佰司特科技有限责任公司

/皮肤和骨髓串联共培养/

德国多所研究单位的科学家与拜尔斯道夫公司合作，通过德国TissUse GmbH公司类器官串联芯片培养系统—HUMIMIC，成功开发出一种皮肤和骨髓串联共培养模型，用于研究血清对衰老的影响。并于2025年在《AGING》期刊发表了题为“Systemic factors in young human serum influence in vitro responses of human skin and bone marrow-derived blood cells in a microphysiological co-culture system”的研究论文。

全层插入式皮肤模型采用气液界面培养法，于Transwell中进行培养后加入到在HUMIMIC Chip3plus三器官串联芯片（TissUse GmbH公司）中。将人骨髓间充质干细胞接种于羟基磷灰石包被的氧化锆基Sponceram®圆柱体支架（TissUse GmbH公司）上，然后加入到UMIMIC Chip3plus。通过类器官串联芯片培养系统控制单元HUMIMIC Starter，在HUMIMIC Chip3plus三器官芯片中动态串联共培养BM模型和皮肤模型21天，最后进行流式细胞分析。

01 摘要

衰老是一个复杂的生物学过程，其不仅显著加速年龄相关疾病的发生，更对有效干预措施构成重大挑战，目前鲜有系统性抗衰老方案能成功逆转衰老表征。异时共生实验揭示了血液因子可能具备 rejuvenation （抗衰延寿，返老还童）潜能，然而其关键驱动因子及潜在作用机制迄今仍未阐明，相关发现尚未成功转化至人体研究。本研究通过构建包含3D皮肤模型与3D骨髓模型的微生理系统，首次实现了利用系统性因子使人皮肤重现年轻化特征。与衰老人体血清相比，年轻人体血清的引入显著提升了表皮细胞增殖能力，并基于甲基化衰老时钟检测证实皮肤生物学年龄的降低。值得注意的是，该效应仅在骨髓源性细胞存在条件下显现。对骨髓模型的深入分析揭示了年轻与衰老人体血清处理引发的细胞群体动态变化。通过蛋白质组学分析，我们鉴定出55种由骨髓源性细胞分泌的潜在系统性 rejuvenation 蛋白，其中7种经衰老标志物检测验证可显著促进人体皮肤细胞年轻化，确证了这些蛋白作为 rejuvenation 系统性因子对皮肤的调控作用。

02 介绍

衰老与功能性组织的渐进性衰退密切相关，这种衰退会导致成年期疾病易感性和死亡风险上升。随着人口预期寿命的延长，探究衰老机制以促进健康老龄化和延长无病寿命已成为重要研究课题。作为人体最大的器官，皮肤因其衰老迹象最早显现且能反映整体健康状况，成为研究衰老过程的理想组织模型。

迄今为止，仅有少数方法被证实能够通过同步逆转多种衰老特征来实现组织的整体年轻化。其中，异种共生技术通过连接不同年龄动物的血液循环系统，展现出独特的优势。暴露于幼体循环系统下的老年小鼠表现出组织年轻化迹象，即器官与组织的功能及细胞活性均得到改善。就皮肤而言，研究证实异种共生可改善组织结构、减少衰老细胞并改变基因表达模式。与其他器官不同，全身性年轻化干预措施对皮肤生物学年龄的影响尚

目前发现的大多数因子仅在啮齿类动物模型中得到验证，这很可能源于动物模型研究成果向人体细胞培养系统转化时面临的挑战。

微生理系统（Microphysiological Systems，MPS），亦称器官芯片平台，通过采用多种人体细胞类型组成的类器官及整合模拟血液循环的循环培养基流，为研究人体生物过程和重现体内特定微环境要素提供了创新方法。首个用于鉴定鼠类肌肉年轻化因子的工程化MPS系统已被报道，该系统可在体外部分模拟联体共生现象，但针对人体衰老研究的系统仍属空白。

本研究采用MPS技术将异时联体共生实验的年轻化策略转化为体外细胞培养体系，旨在系统性探究人体皮肤衰老与再生机制，并阐明驱动皮肤年龄相关变化的分子机理。除系统因子外，血液还含有源自骨髓（BM）微环境的细胞组分。

骨髓微环境的衰老相关改变已被广泛研究，其特征表现为HSCs自我更新能力与功能衰退、微环境改变（包括MSCs功能受损）、淋巴样细胞群体减少、炎症衰老及表观遗传变异。

为此，我们决定在多器官串联芯片系统中将全层皮肤模型与成熟骨髓模型进行串联培养。在成功建立串联共培养体系后，向系统注入年轻与年长供体的人体血清以模拟异时联体共生实验效应。研究证实：年轻人体血清可改变骨髓分化模式，并改善皮肤的生物学年龄、形态学特征及细胞增殖能力。

值得注意的是，这些效应仅在两个类器官串联共培养系统中显现，这既印证了循环细胞作为系统器官相互作用的介质的关键作用，也突显多器官串联芯片系统作为研究系统年轻化的技术前提。皮肤年轻化效应实质上是骨髓响应年轻循环血液因子所分泌多种因子的协同结果。

本研究首次为系统因子对人体皮肤的年轻化效应提供实证依据，并确定七种蛋白在皮肤年轻化进程中发挥核心驱动作用。

03 结果

Young human serum alone does not improve aging markers of human skin models仅凭年轻人体血清无法改善皮肤模型的衰老标志物

基于异时共生实验的研究结果，我们提出假说：向人体皮肤模型添加年轻人体（年龄<30岁）或老年人体（年龄>60岁）的血清，应能分别使组织年轻化或加速衰老。

为验证该假说，我们采用含10%年轻（10名30岁以下供体混合）或老年（10名60岁以上供体混合）血清的Phenion®全层插入式皮肤模型进行静态培养（图1A）。首先通过分析真皮层衰老相关基因（的表达谱进行比较。然而，年轻人体血清培养组与老年人体血清培养组的基因表达谱未呈现显著差异（图1B）。

Establishment of a dynamic co-cultivation of skin model and BM model皮肤模型与骨髓模型的动态共培养体系建立

鉴于所有源自骨髓的细胞均会随全身性因子共同循环至人体各组织并分泌可到达所有组织的分子，我们旨在重构该微环境以实现更精准的全身衰老研究。为此，我们在HUMIMIC Chip3plus三器官芯片系统中构建了包含多种髓系免疫细胞的骨髓模型与皮肤模型的串联共培养体系。

动态骨髓模型的建立基于Sieber团队首创方法并进行了微调：将人骨髓间充质干细胞接种于羟基磷灰石包被的氧化锆基Sponceram®载体，培育形成类人骨髓微环境。随后在该支架上加入人骨髓CD34+细胞，于HUMIMIC Chip3plus三器官芯片内诱导分化为髓系细胞。两周后启动与Phenion®全层长周期插入式皮肤模型的串联共培养，持续21天（图2A）。该动态串联共培养体系通过芯片的微流泵与微流控技术实现培养基持续循环流动，促进骨髓源血细胞再循环及皮肤-骨髓间分泌因子的双向交换（图2B）。通过检测乳酸脱氢酶释放量计算细胞毒性，证实串联共培养全程保持活力（细胞毒性低于5%，图2C）。

综上，我们成功构建了皮肤模型与骨髓模型（含髓系免疫细胞及多种祖细胞群体）的活性共培养体系，并维持长达21天的培养周期。

Skin and BM model show rejuvenated properties when exposed to young human serum皮肤与骨髓模型在接触年轻人体血清后呈现年轻化特征

成功建立动态串联共培养模型后，我们在由皮肤模型和骨髓模型（培养于添加生长因子的SFEM II培养基中）组成的动态串联共培养体系中，分别加入10%年轻人体或老年人体血清，以研究其对皮肤和骨髓衰老生物标志物的影响。

值得注意的是，与使用老年血清共培养的模型相比，采用年轻人体血清与骨髓模型共培养的动态皮肤模型中Ki67阳性细胞显著增加，表明组织再生能力得到提升（图3A）。我们开发的皮肤特异性年龄时钟及血液年龄时钟均显示，与老年血清组相比，年轻人体血清与骨髓共培养的皮肤模型生物年龄显著降低（图3B）。相较于无血清培养条件，人血清的添加显著增强了皮肤模型的增殖能力，这很可能归因于血清中富含的生长因子。

04 方法

Phenion®全层插入式皮肤模型采用气液界面培养法，在37℃、5% CO2条件下，于Transwell培养系统中进行培养。在HUMIMIC Chip3plus三器官串联芯片（TissUse GmbH公司）中，微流道填充2 mL新鲜培养基，皮肤模型置于芯片中央24孔室。随后将系统连接至HUMIMIC Starter控制单元，在500 mbar正负压条件下以0.5 Hz泵频运行。动态培养期间每日更换半量培养基，持续培养21天。

将50万株预培养的人骨髓间充质干细胞（Lonza Group AG）接种于羟基磷灰石包被的氧化锆基Sponceram®圆柱体支架（TissUse GmbH公司）上。

在HUMIMIC Chip3plus类器官串联芯片培养系统进行动态培养时，将预孵育的支架转移至96孔培养舱。灌注回路中注入2 mL新鲜培养基后，将系统与HUMIMIC Starter控制单元连接，并按前述方法运行HUMIMIC Chip3plus三器官串联芯片。前两周期间，每周实施两次1.6 mL培养基置换。每周一次的培养基更换过程中，通过重悬法采集骨髓细胞样本用于后续流式细胞术分析。

在动态BM模型培养14天后，将Phenion®全层长寿命插入式皮肤模型置于HUMIMIC Chip3plus三器官串联芯片的24孔小室，并将培养基更换为StemSpan™ SFEM II（Stemcell Technologies公司产品）以及10%年轻或老年供体的人血清。共培养系统维持21天，每日更换0.6 mL培养基。每周收集一次骨髓细胞，采用流式细胞术进行分析。

05 讨论

通过包含人体骨髓与皮肤模型的体外串联共培养系统，我们观测到年轻人体血清引发的皮肤年轻化现象，具体表现为细胞增殖率提升及生物学年龄降低——后者是综合评价组织再生的指标。

综上所述，利用包含骨髓与皮肤的体外微生理系统（MPS），我们成功复现了血液循环因子对人体皮肤的系统性再生效应——该现象此前仅在啮齿类异时共生实验中得证。更重要的是，我们在该系统中鉴定出多个可能介导皮肤再生的关键蛋白。然而系统性因子不仅包含蛋白质，还涉及外泌体、代谢物和microRNA等成分。后续研究需在系统性皮肤再生与衰老背景下进一步验证已鉴定蛋白，例如采用衰老细胞构建三维皮肤模型或延长培养周期等实验设计将极具探索价值。此外，结合肾脏等重要过滤器官（其在系统性衰老中扮演关键角色）来探究皮肤与其他器官的协同再生机制也将成为有趣的研究方向。

06 类器官串联芯片培养系统—HUMIMIC

德国TissUse GmbH公司专注于类器官培养系统研究22年，推出的HUMIMIC类器官串联芯片培养系统，得到FDA和中国食品药品检定研究院的推荐，并被多个国际知名用户单位认可（包括：阿斯利康，拜耳，辉瑞，宝洁，贝尔斯多夫，联合利华，GSK，MSD等等）。

德国TissUse的HUMIMIC®类器官串联芯片培养系统能够模拟人体内生理环境，包括温度、压力、真空度、微流道循环频率、时间等参数，通过控制单元来控制微流体环境中的复杂条件，针对不同的器官可以单独设置提供相应的培养条件，提供精准的培养和分化环境。

人体生理反应往往涉及更多介质循环和不同组织间相互作用，多器官芯片才能全面反映出机体器官功能的复杂性、完整性以及功能变化，一个相互作用的系统才能更好的模拟整个系统中器官和组织的不同功能。可提供不同类器官的串联培养解决方案，避免单一类器官无法模拟人体复杂生理学条件下器官相互通讯交流的不足。把多种不同器官和组织培养在芯片上，然后通过微通道连接起来，集成一个相互作用的系统，从而模拟人体中的不同功能器官的交流通讯和互相作用。

德国TissUse GmbH公司的HUMIMIC®类器官串联芯片培养系统

可提供不同类器官的串联共培养方案，避免单一类器官无法模拟人体复杂生理学条件下器官相互通讯交流的不足。通过类器官模拟人类器官组织的生理发育过程，应用于疾病模型、肿瘤发生、以及药物安全性、有效性、毒性、ADME等方面的评估，旨在减少和取代实验室动物测试，简化人体临床试验。

德国TissUse GmbH公司支持的器官培养物的数量范围从单个器官培养到支持复杂器官相互作用研究的器官数量，包括单器官、二器官、三器官和四器官培养的商业化的平台。成功的案例包括：肝脏、肠、皮肤、血管系统、神经组织、心脏组织、软骨、胰腺、肾脏、毛囊、肺组织、脂肪组织、肿瘤模型和骨髓以及各自的多器官串联组合方案。