摘要：全球人口结构正趋向老龄化，肝脏-骨骼轴在年龄相关疾病中扮演着关键角色。然而，现有模型难以准确捕捉其复杂的跨器官通讯机制。
全球人口结构正趋向老龄化，肝脏-骨骼轴在年龄相关疾病中扮演着关键角色。然而，现有模型难以准确捕捉其复杂的跨器官通讯机制。
2025年8月，来自上海交通大学新华医院的贺明、苏佳灿、彭建平和上海科技大学林照博团队在期刊Bioactive Materials（IF: 20.3）上发表了一篇题为“Liver-bone organoids reveal senescence-driven interorgan crosstalk”的研究文章。
本研究通过工程化仿生水凝胶联合多柔比星（DOX）诱导衰老，成功构建了具有生理相关性的衰老肝脏与骨骼类器官新型模型。该模型成功复现了核心衰老特征。
文章介绍
#1
研究背景
Background
全球人口结构正趋向老龄化，与年龄相关的肝脏和骨骼疾病——特别是代谢功能障碍相关脂肪肝病和骨质疏松症——发病率显著上升，严重影响着老年群体的健康与生活质量。
尽管流行病学与机制研究已证实肝脏与骨骼疾病存在临床关联，但对于“肝-骨轴”在衰老背景下的跨器官通讯机制，科学界仍知之甚少。
当前研究模型主要包括体外细胞系统与动物体内模型。细胞模型（如肝细胞与成骨细胞或破骨细胞前体的共培养）虽能为分子机制研究提供可控平台，却难以再现真实器官的结构复杂性、多细胞组织特性及系统生理环境。动物模型虽可用于研究系统性相互作用，却受限于物种差异、实验周期长及伦理问题。
鉴于这些局限性，类器官技术已成为精准模拟肝-骨相互作用的新兴途径。肝脏与骨骼类器官能在三维环境中重现组织结构与功能的关键特征。通过共培养或器官芯片整合，它们为揭示肝-骨轴作用机制、推动衰老相关疾病研究提供了重要潜力。
#2
研究思路
Methods
本文通过构建衰老的肝脏和骨骼类器官模型，研究了肝脏-骨骼轴在衰老过程中的双向衰老传播机制。
利用工程化仿生水凝胶结合多柔比星（DOX）诱导衰老，成功模拟了衰老的标志性特征，包括骨骼类器官矿化能力下降和肝脏类器官DNA损伤。
通过体外实验和体内小鼠模型，发现27-羟基胆固醇（27-OHC）是肝脏到骨骼衰老传播的关键介质，能够加剧骨骼衰老和骨质流失。
这一研究不仅揭示了肝脏和骨骼之间衰老信号的双向传播机制，还提出了27-OHC作为干预衰老相关多器官功能障碍的潜在靶点。
△ 示意图说明了衰老肝-骨类器官的构建，以及通过这种衰老肝-骨类器官模型筛选27-OHC作为衰老传播的关键介质。
#3
研究结果
Results
1. 利用仿生基质水凝胶通过复制性衰老构建衰老骨类器官
为建立研究骨衰老机制的体外模型，研究者开发了多种策略来生成衰老骨类器官。与C57BL/6小鼠已确立的衰老表型一致，与4月龄对照组相比，14月龄雄性小鼠表现出显著的、与年龄相关的成骨细胞活性下降特征。值得注意的是，在老年小鼠的骨组织和骨髓来源间充质干细胞（BMSC）中均检测到了衰老相关β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）活性。
首先评估一种具有双网络结构和多功能组分的新型仿生基质水凝胶支持3D骨类器官形成的能力（图1C）。培养4周后，负载BMSC的水凝胶显示出显著的矿化能力。然而，从14月龄小鼠分离的原代BMSC由于其在水凝胶三维环境中的增殖能力有限，未能形成有活力的类器官。
图1
为克服此限制，采用了利用长期培养的BMSC进行复制性衰老的策略（图1C）。与早期传代（P3）细胞相比，连续传代诱导了进行性的细胞衰老，到第10代（P10）时增殖速率明显降低，在第23代（P23）时更为显著。同时，P23 BMSC的SA-β-gal活性增加。
值得注意的是，衰老的P23 BMSC在培养4周后产生的骨类器官，其BMD、BV/TV和Tb.Th值显著更低，且衰老标志物表达升高（图1F）。
这些数据表明，BMSC的复制性衰老能够在仿生基质水凝胶中成功生成具有生理相关性的衰老骨类器官。
图1
2. 使用仿生基质水凝胶构建多柔比星诱导的衰老骨类器官
细胞衰老是一种由多种内源性和外源性刺激（如DNA损伤、端粒功能障碍和氧化应激）激活的防御机制。多柔比星（DOX）作为一种强效DNA损伤剂，可通过诱导DNA双链断裂积累引发细胞衰老。
为验证DOX能否在三维类器官系统中同样诱导衰老，首先在原代BMSC中验证其效应。用DOX处理48小时显著增加了衰老标志物（SA-β-gal）表达，证实了其在体外的衰老诱导能力。
在骨类器官研究中，在培养3周后施加0.5 μM DOX，分别处理3天或6天（图2B）。Micro-CT分析显示矿化能力呈时间依赖性受损，与对照组相比，DOX处理组的矿物沉积显著减少。6天处理组比3天处理组表现出更明显的矿化缺陷。
图2
进行了碱性磷酸酶（ALPL）染色和RNA-seq分析。衰老表征分析显示，DOX处理的类器官中SA-β-gal活性、p21表达和γ-H2A.X均呈时间依赖性增加，表明衰老程序和DNA损伤应答被成功诱导（图2G）。
通过对不同衰老诱导剂（D-半乳糖胺和H₂O₂）的比较分析，证实DOX在建立衰老骨类器官方面具有更优效果，表现为更显著的矿化减少和更强的衰老标志物表达。
这些结果共同确立了DOX作为在仿生水凝胶系统中生成衰老骨类器官的理想诱导剂。
图2
3. 通过多柔比星诱导建立衰老小鼠肝脏类器官
为在体外模拟肝脏衰老，研究者采用成熟的3D培养方案，从小鼠导管祖细胞生成了肝脏类器官（图3B），并进一步对小鼠肝脏类器官进行分化以获得肝细胞。最初尝试从14月龄小鼠直接获取内源性衰老类器官未获成功，其SA-β-gal水平与4月龄对照组类器官相比未见变化。
图3
基于在骨类器官中取得的成功，研究者将DOX诱导衰老策略应用于肝脏系统。在AML12肝细胞中的初步验证证实了DOX的有效性，显示出典型的衰老表型，包括增殖减少、形态改变及衰老标志物（SA-β-gal、p21、p16）表达上调。
据此，研究者在小鼠肝脏类器官分化为肝细胞后，向培养基中加入0.5 μM DOX分别处理3天和6天（图3G）。研究发现，DOX诱导使小鼠肝脏类器官的SA-β-gal和p21水平升高。此外，γ-H2A.X染色显示，6天的DOX处理诱导了显著的DNA损伤，而3天处理则未引发该现象（图3H）。
为从功能上验证衰老肝脏类器官的结构变化，研究者评估了代谢性衰老标志。DOX处理显著增加了脂质积累（BODIPY染色），证实了脂肪变性发生（图3I）。
本研究首次证实，DOX诱导衰老策略可稳定应用于小鼠肝脏类器官，从而拓展了其作为跨组织衰老诱导方案的适用性。
图3
4. 通过老年血清在肝脏和骨骼类器官中诱导系统性衰老
为验证系统性衰老调节因子的存在，研究者将14月龄小鼠的血清分别作用于肝脏和骨骼类器官系统。结果显示，老年血清在不同组织类型中均引发了显著的衰老激活：肝脏类器官的SA-β-gal活性明显升高（图4A），而骨类器官则协同上调了SA-β-gal、p21和γ-H2A.X——这些均是衰老程序激活和DNA损伤应答的标志物（图4B）。
图4
功能评估显示，老年血清介导了骨基质矿化受损，与年轻血清对照组相比，其沉积体积减少，BMD、BV/TV和Tb.Th值降低。
这些结果共同证明了衰老信号可通过血液因子实现非细胞自主性传播，确立了血清作为组织间衰老传播的关键媒介。
5. 肝脏与骨骼类器官间的双向衰老传播
基于老年血清的系统性效应，提出假设：旁分泌信号介导了器官间的衰老传播。为验证此假设，在DOX诱导衰老的肝脏/骨骼类器官中撤药24小时后收集条件培养基（CM）（图5G）。
图5
结果显示，衰老骨骼类器官的CM显著增强了受体肝脏类器官的SA-β-gal活性；衰老小鼠肝脏类器官（MLO）的CM不仅提高了骨骼类器官的衰老标志物（SA-β-gal、p21、γ-H2A.X），还损害了其矿化能力（BMD、BV/TV和Tb.N降低）（图5I）。
这些发现共同揭示了一个自我强化的衰老循环：两种类器官通过分泌因子主动交换促衰老信号，模拟了生理衰老中观察到的致病性交互作用。这种保守的双向传播表明，循环介质在机体衰老过程中维持了组织间功能衰退的恶性循环。
图5
6. 蛋白质组学分析揭示衰老肝脏中的代谢重编程
为系统识别组织间衰老通讯的介质，对4月龄和14月龄小鼠的肝组织进行了LC-MS/MS蛋白质组学分析。主成分分析证实样本按年龄显著分层，组间明显分离，证明了数据的可靠性。比较定量分析揭示了衰老肝组织中存在646个差异表达蛋白（DEP）。
与4月龄组相比，14月龄组表现出与生物过程相关的显著DEP，最突出的是代谢重编程（脂肪酸代谢过程和脂质转运）（图6C）。KEGG通路富集分析显示，脂质代谢通路和衰老信号通路（如视黄醇代谢、线粒体自噬、DNA复制和类固醇激素生物合成）显著上调（图6D）。
基因集富集分析特别指出类固醇激素合成是肝脏衰老的一个标志。这些发现共同表明，衰老肝组织经历了代谢和分泌功能的重塑，尤其是类固醇生成通路可能介导了系统性衰老。
图6
为系统表征驱动器官间衰老传播的分子介质，对比分析了4月龄和14月龄小鼠血清、以及衰老与正常肝脏类器官条件培养基的LC-MS/MS蛋白质组学数据。
衰老血清蛋白质组在蛋白质分解代谢和氧化应激方面表现出显著改变，而衰老肝脏类器官在脂质分解代谢过程和类固醇激素生物合成中呈现显著变化。交叉分析揭示了衰老血清与衰老类器官分泌蛋白组之间存在10个保守的差异表达蛋白（图6H-I）。
三个持续上调的蛋白——Pltp（磷脂转移蛋白）、ApoH（β-2-糖蛋白1）和Qsox1（巯基氧化酶1）尤其值得关注，因为它们共同参与胆固醇转运和类固醇生成效率的调控。
这些发现确立了肝脏固醇代谢失调是肝脏向骨骼传播类内分泌性促衰老信号的主要机制。
图6
7. 27-OHC作为新型肝脏来源的骨衰老介质
基于发现的固醇代谢通路失调，研究者研究了27-羟基胆固醇（27-OHC）——这一血液中最丰富的氧固醇，作为肝-骨衰老传播的候选介质。
用生理浓度（0.25 μM）的27-OHC处理6天，可在骨类器官中诱导SA-β-gal活性和p21表达升高，但未激活γ-H2A.X，这确立了其独特的非基因毒性机制。
功能评估显示，27-OHC能显著损害矿化功能，而当27-OHC与DOX联用时，表现出对成骨抑制的协同加剧效应（图7B）。
图7
组织形态计量学分析表明，27-OHC重现了衰老骨基质退化的关键特征：ECM结构破坏（H&E染色）、胶原沉积减少（Masson三色染色）以及钙矿化受损（ARS染色）——这些表型在与DOX联合处理后显著加剧（图7F）。
为确立临床相关性，研究者在肝细胞癌模型中评估了27-OHC的作用，该模型中血清27-OHC升高与骨转移相关。体内实验证实，27-OHC抑制了小梁骨形成（表现为BMD、BV/TV和Tb.N降低；Tb.Sp增加）。
这些发现确立了27-OHC是连接肝功能紊乱与骨骼衰老的核心代谢效应因子。
图7
参考文献
Zhang, Y., Li, Y., Wang, F., Dong, Z., Wang, J., Chen, Y., Fu, Y., Lu, Y., Bao, X., Lai, Y., Jing, Y., Wang, J., Peng, J., Lin, C. P., Su, J., & He, M. (2025). Liver-bone organoids reveal senescence-driven interorgan crosstalk. Bioactive materials, 54, 570–583. doi：10.1016/j.bioactmat.2025.08.039.
来源：培养盒守护者