针对上述问题，美国加州大学伯克利分校Andreas Stahl教授和 Generation Lab 的Irina M. Conboy教授构建了一种基于人诱导多能干细胞（hiPSC）的WAT-肝脏轴微生理系统（MPS），通过灌注异龄人血清实现衰老与年轻化的时间压缩调控。该芯片模型仅需4天即可建立需数十年体内积累的多项衰老标志，包括基因表达老年化转变与氧化DNA损伤，并能通过机器学习模型预测组织生物学年龄。研究揭示了人类衰老中未知的信号网络、脂肪对肝脏的衰老级联效应、衰老性别差异及组织年龄记忆等关键机制，为抗衰老药物高通量筛选提供了临床前动物替代方案。该文章于2026年3月25日以《Human microphysiological systems of aging recreate the in vivo process expediting evaluation of anti-geronic strategies》为题发表于《Nature Biomedical Engineering》上（DOI：10.1038/s41551-026-01618-6）。

（1）异龄血清快速诱导WAT与肝脏MPS衰老表型

hiPSC分化的WAT MPS（iADIPO）与肝脏MPS（iHEP）分别灌注含5%老年（>62岁，OCM）或青年（21-34岁，YCM）人血浆样培养基4天。OCM快速建立多重衰老表型：SA-β-gal阳性细胞增加，CDKN1A、CDKN2A表达上调，p16核定位与总蛋白水平升高；SASP因子TNF-α、IL-6分泌增多；WAT中8-OHdG水平显著升高。代谢层面，OCM诱导PPARG、FABP4、LPL、HSL、LEP及EBF2上调，外源性脂肪酸摄取增加，肝脏SREBP1c呈升高趋势（0.05<P<0.1），PCK1升高伴胰岛素敏感性受损。YCM与OCM对WAT MPS基因（CDKN2A、CDKN1A、LIFR、TNF、IL6、FABP4、LPL、HSL、EBF2）及肝脏MPS基因（CDKN1A、SREBP1c、PCK1）呈反向调控。血清供体性别建立差异模式：男性YCM组炎症、脂肪生成与衰老高于女性YCM组。

图1. 人血清诱导WAT与肝脏MPS衰老。a-e：WAT MPS经OCM vs YCM灌注4天后的衰老标志，包括衰老相关基因表达（n=15）、SA-β-gal染色（n=8）、p16标志物核阳性荧光与ELISA（n=4-12）、炎症蛋白与SASP（n=3-15）、氧化DNA损伤（n=6）、脂肪生成与内脏标志物（n=15）、脂质代谢（n=77-93）及胰岛素调控葡萄糖代谢（n=15-16）；f-i：肝脏MPS衰老标志，包括衰老基因表达（n=3-4）、SA-β-gal（n=9-13）、p16（n=10-12）、炎症（n=3-4）、氧化DNA损伤（n=3）、脂质代谢（n=29-30）及葡萄糖代谢（n=4）。所有基因标志物均归一化至同批常规MPS培养基培养的阴性对照。TNF分泌相对于无血清对照评估，负值表示产量相对降低。

（2）衰老脂肪通过器官间通讯传播衰老至肝脏

建立WAT MPS的YCM/OCM暴露记忆后，通过单向灌注将脂肪芯片与未处理肝脏MPS连接（基础HPLM培养基，无血清）。OCM预处理WAT MPS快速诱导肝脏MPS衰老标志：IL6、CDKN2A、PCK1、SREBP1c表达升高，SA-β-gal积累增加，胰岛素抵抗（肝糖产量升高、脂质积累增加）。此级联性肝功能障碍与直接OCM诱导的肝脏衰老在衰老、炎症与葡萄糖代谢关键标志基因上存在差异。利用稳定表达甲硫氨酰-tRNA合成酶突变体（MetRSL274G）的hiPSC进行生物正交非天然氨基酸标记（BONCAT），OCM促进新生蛋白质合成及炎症信号通路激活；YCM则诱导促进细胞增殖、发育通路及核心稳态生物学过程的生长因子合成。

图2. 衰老脂肪传播衰老至肝脏MPS。a：WAT-肝脏器官芯片示意图，显示CM预处理WAT MPS与肝脏MPS的单向灌注连接；b：基因表达改变，IL6、CDKN2A、PCK1、SREBP1c显著上调（n=3）；c：SA-β-gal积累诱导（n=5-8）；d：葡萄糖与脂质代谢紊乱，肝糖产量与脂质积累增加（n=4-8）；e：与OCM直接处理肝脏的标志基因模式比较，显示衰老、炎症与葡萄糖代谢基因表达差异（n=3-4）；f：BONCAT检测新生蛋白流程示意图，使用MetRSL274G hiPSC来源WAT MPS；g、h：OCM（g）与YCM（h）条件下新生蛋白谱，g显示炎症信号通路激活，h显示生长因子与发育通路诱导。基因标志物归一化至同批常规MPS培养基阴性对照。

（3）芯片衰老基于全基因组转录组学紧密复现自然人类衰老

WAT MPS批量RNA测序PCA分析显示YCM与OCM形成两个特征聚类。差异分析揭示异龄血清影响免疫-组织交互、炎症调节因子、代谢、ADP-核糖基化活性、胞质DNA感应、DNA损伤、TORC2、细胞命运与增殖调节因子及组织重塑因子等生物医学相关且已知的年龄特异性基因表达模式。与GTEx人皮下脂肪组织（SAT）数据库比较，前10个重叠GO术语在OCM与老年人群及YCM与青年人群中一致，提示OCM中炎症增加而YCM中代谢过程改善。基于GTEx数据库训练机器学习（ML）年龄预测模型：男性SAT准确率90%、女性SAT 92%、男性内脏脂肪组织（VAT）97%、女性VAT 94%。应用于WAT MPS，模型显示hiPSC衍生组织年龄快速向血清供体年龄平衡：男性YCM预测年龄40-49岁，OCM为50-59岁。

图3. 血清处理异龄WAT MPS转录组学与ML模型预测。a：按年龄条件分组的PCA，YCM与OCM形成两个特征聚类（n=3-5）；b：基于衰老相关改变选择的差异基因热图，涵盖免疫反应、SASP、代谢、细胞发育与重塑类别；c：GTEx SAT公共数据库老年与微流控OCM、GTEx SAT青年与微流控YCM间前10个一致GO术语，显示OCM中炎症增加、YCM中代谢过程改善；d：基于ML的人WAT年龄预测模型流程，包括数据输入、预处理、模型构建与预测步骤，使用随机森林分类模型；e：男性OCM与YCM处理WAT MPS年龄预测结果，YCM预测40-49岁，OCM预测50-59岁。

（4）人类WAT衰老可塑性标志物与机制

整合GTEx SAT数据库与CellGen、GenAge、Aging Atlas公共数据库，筛选在芯片（YCM vs OCM）与体内（青年vs老年）均显示相同差异的衰老标志物，获得11个保守标志物：CXCL8（IL8）、JUN、FOS、CDKN2A、IL6等中心枢纽基因及TNF、细胞衰老、NOD样受体、TGFβ/SMAD等衰老相关通路网络。转录噪声分析显示37个生物标志物在老年人群与OCM处理WAT MPS中标准差均增加，提示系统性调节的组织衰老可塑性，关键关联mTOR与胰岛素信号。肝脏衰老分析显示，直接OCM暴露与OCM预处理WAT诱导的肝脏衰老具有共享与独特特征：两者均共享细胞因子交互，但OCM预处理WAT诱导的肝脏衰老炎症特征更显著，与GTEx肝脏数据中的炎症术语一致。

图4. 血清诱导WAT-MPS衰老复现人类体内衰老，提示可塑性标志物与通路。a、c：表达水平（a）与生物噪声（c）衰老标志物的工作流程与可视化；a显示GTEx SAT数据库（青年20-29岁、老年>60岁）与WAT MPS差异表达基因重叠分析，获得11个在芯片与体内均表达的衰老标志物；c显示GTEx与WAT MPS RNA-seq中37个变异系数随年龄增加的生物噪声标志物；b、d：表达水平（b）与生物噪声（d）衰老标志物富集的蛋白质-蛋白质相互作用网络；b为度排序布局，显示CXCL8、JUN、FOS、CDKN2A、IL6等中心枢纽基因及TNF、细胞衰老、SASP、SMAD信号转导、炎症反应等通路；d仅显示有相互作用的基因，STRING分析从原始37个噪声基因中预测10个相关伙伴基因（置信度>0.99），高亮显示的核心PPI网络基于更高阈值（log2(CVold/CVyoung)>0.5）与5个噪声基因及5个STRING预测伙伴基因相关，鉴定mTOR信号通路为核心网络。n=11（a）和n=37（c）。n指基因数。

（5）人类肝脏衰老的生物标志物与机制

脂肪组织早期衰老并介导其他器官（如肝脏）衰老。研究比较两种肝脏衰老诱导范式：直接血清暴露（YCM vs OCM）与OCM预处理WAT的器官间通讯。血清异龄性在两种MPS中诱导共同通路（细胞因子交互）。转录组比较显示，两种范式既有共享特征也有独特特征：与GTEx体内肝脏衰老数据验证，三者共享部分GO术语（组织发育、免疫反应），但两种肝脏MPS模型特征各异。OCM单独处理共享代谢与氧化DNA损伤特征，呈现TGF超家族信号；OCM预处理WAT诱导的肝脏衰老炎症特征更显著，该炎症术语在GTEx肝脏数据中亦有体现。

图5. CM单独处理与CM预处理WAT诱导肝脏MPS衰老的转录组学分析与标志物、通路鉴定。a：与GTEx男性肝脏衰老的GO术语交叉比较维恩图，显示CMs单独、CM预处理WAT诱导的肝脏衰老与自然肝脏衰老间共享与独特术语；b、c：表达水平（b）与生物噪声（c）衰老标志物鉴定，与图4对齐；b显示CMs单独诱导8个衰老相关基因（主要为生长因子BDNF、GDF15、NRG1），CM预处理WAT诱导15个基因（包括生长因子BDNF、GDF15及炎症介质IL-6），两者共享CDKN2B；c显示CMs单独条件与mTOR信号强相关，CM预处理WAT显示染色体组分维持与修复失调而无mTOR参与。蓝色标志基因为GTEx与CMs单独共享，红色为GTEx与CM预处理WAT共享，紫色为三者共享。

（6）抗衰老策略筛选：衰老诱导阻断与逆转

研究利用芯片衰老模型进行衰老衰减与逆转双方向药物筛选。衰减策略：WAT MPS经OCM处理4天，同时给予DQ（达沙替尼+槲皮素）、ALK5i、催产素或雷帕霉素。逆转策略：OCM 4天后继续OCM+药物4天，或换为基础培养基（血清稀释）±药物4天。所有药物及血清稀释均降低CDKN2A表达，但血清稀释联合药物效果最稳健：催产素显著增加GLUT4表达，恢复胰岛素敏感性，促进FABP4、LPL、HSL、ADIPOQ、PNPLA3表达，改善糖脂代谢。CDKN2A（p16）siRNA敲低验证其为中心调节节点，显著降低衰老表型，与血清稀释联合效果更佳。异龄微流控（OCM 4天→YCM 4天，OY）使WAT MPS中CDKN2A降低、GLUT4/FATP1/HSL升高、胰岛素敏感性恢复，RNA-seq显示免疫反应、代谢、细胞命运、组织重塑年轻化，TGFβ/Smad信号正常化；肝脏MPS中OY降低TNF/NFKB1/NFKB2与CDKN1A，衰减PCK1/SREBP1c，糖产量减少、胰岛素敏感性改善、脂质积累降低。

图6. 芯片衰老MPS中的年轻化方法。a：WAT MPS药物筛选，OCM+药物灌注4天（n=3-4基因表达，n=3-4葡萄糖代谢，n=13-32脂质代谢）；b：WAT MPS逆转衰老，OCM 4天→OCM+药物4天（n=4-5基因表达，n=3-4葡萄糖代谢，n=13-24脂质代谢）；c：稀释±药物年轻化，OCM 4天→无老年血清培养基±药物4天（n=3-4基因表达与葡萄糖代谢，n=8-24脂质代谢，n=8 SA-β-gal，n=4 P16 ELISA与DNA损伤）；d：siRNA敲低P16同时OCM处理4天（n=3基因表达与DNA损伤，n=4 SA-β-gal与葡萄糖代谢，n=32脂质代谢）；e：OCM处理后siRNA敲低P16（n=3 P16 ELISA，n=14脂质代谢，n=4其他）；f：异龄微流控，WAT MPS经OCM 4天→YCM 4天（n=3基因表达、DNA损伤与脂质代谢，n=4 OO与n=8 OY SA-β-gal，n=30 OO与n=28 OY脂质代谢）；g：肝脏MPS异龄微流控（n=3-4基因表达，n=4葡萄糖代谢，n=3 DNA损伤，n=8 SA-β-gal与脂质代谢）。所有基因归一化至稀释条件（c），否则归一化至首条件。