《Scientific Reports》：Liver quad culture chip as a model for radiation injury research
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辐射性肝损伤（RILD）严重影响癌症放疗患者和核事故受辐射人群的健康，目前缺乏有效治疗手段。研究人员开展了以肝脏四细胞共培养芯片为模型的 RILD 研究，发现该芯片能模拟 RILD 病理变化，还证实 N - 乙酰半胱氨酸酰胺（NACA）有保护作用。这为 RILD 研究和治疗提供了新方向。
在医疗领域，癌症放疗是对抗肿瘤的重要手段，然而，辐射这把 “双刃剑” 在杀死癌细胞的同时，却给肝脏带来了严重的麻烦 ——
辐射性肝损伤（RILD）。对于接受放疗的癌症患者以及在核事故中暴露的平民来说，RILD 就像一颗 “定时炸弹”，随时可能引发急性或长期的肝脏功能障碍，甚至导致死亡。目前，针对 RILD 既没有可靠的诊断方法，也缺乏特效治疗药物，现有的治疗手段仅仅是对症处理，效果并不理想。这一现状迫切需要改变，因此，开展深入研究以寻找有效的应对策略迫在眉睫。
美国国家癌症研究所（National Cancer Institute）等机构的研究人员肩负起了这一重任，他们围绕肝脏四细胞共培养芯片展开了一系列研究。研究发现，该芯片能够有效模拟 RILD 的微环境，展现出辐射损伤后的多种病理变化。同时，研究还证实了 N - 乙酰半胱氨酸酰胺（NACA）对辐射损伤具有保护作用，并鉴定出了一些有用的生物标志物。这一研究成果发表在《Scientific Reports》上，为 RILD 的研究和治疗开辟了新的道路，具有重要的意义。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是芯片培养技术，利用 Emulate 公司的肝脏芯片，培养包含原代人肝细胞、肝窦内皮细胞（LSECs）、肝星状细胞（HSCs）和库普弗细胞（Kupffer cells）的四细胞共培养体系；其次是辐照技术，使用 X - Rad 320 对细胞和芯片进行不同剂量的辐照；然后是 RNA 测序技术，对辐照后的细胞进行 RNA 提取和测序，分析基因表达变化；最后通过多种检测技术，如免疫荧光染色、生化检测等，对细胞的生物学变化进行评估。
下面来详细看看研究结果：
- 肝脏四细胞共培养芯片的表征及对辐射损伤的响应：研究人员选用 Emulate 公司的肝脏芯片模型，其包含两个 chambers，分别培养肝细胞和非实质细胞（NPCs）。通过验证不同辐射剂量下关键基因的表达，确定了 4 Gy 和 8 Gy 为研究剂量。对辐照后的细胞进行全基因组 RNA 测序，主成分分析（PCA）显示，NPCs 的 mRNA 在 6 h 和 7 d 时按时间点聚集，24 h 时出现剂量差异；肝细胞的 mRNA 则呈现出更明显的剂量和时间特异性聚集。
- 辐射损伤在肝脏四细胞共培养芯片中展现出相似的 RNA 生物标志物：通过 mRNA 和 lncRNA 的热图分析，发现不同剂量和时间点下，肝细胞和 NPCs 的基因表达存在差异。例如，CDKN1A 在辐射后的 NPCs 和肝细胞中均上调，多个组蛋白基因在 NPCs 中表达下降，在肝细胞中也有部分组蛋白基因表达下降。此外，还鉴定出了一些显著改变的 miRNA，如 miR - 34a - 5p 和 miR - 432 - 5p。
- 辐射诱导的基因变化可能导致细胞死亡、衰老、纤维化、炎症或免疫反应：构建基因网络图谱发现，辐射损伤会影响肝细胞和 NPCs 中与衰老、纤维化、细胞死亡、炎症和免疫反应相关的基因。像 CDKN1A、FDXR、MDM2 和 EDA2R 等基因在两个细胞群体中均发生改变，且 CDKN1A 在免疫反应、细胞应激和炎症网络中都起着重要作用。
- Ingenuity 通路分析预测 NPCs 中细胞死亡通路的激活可被 NAC 或 NACA 保护：利用 IPA 分析发现，辐射会激活 NPCs 中的铁死亡、坏死性凋亡和自噬等通路，同时也激活了衰老和肝纤维化信号通路。而 N - 乙酰半胱氨酸（NAC）和 NACA 能够抑制这些辐射损伤相关通路。通过实验确定了 375 μM 的 NACA 为后续实验的有效浓度。
- NACA 保护细胞免受 DNA 损伤，降低细胞应激和衰老标志物：实验表明，在 8 Gy 辐射前用 NACA 预处理细胞，6 h 后进行 γ - H2AX 染色发现，NACA 能减少 DNA 双链断裂。同时，NACA 还能降低细胞表面面积，抑制衰老标志物 CDKN1A 的上调，这表明 CDKN1A 可用于判断 RILD 的进展和预测患者对治疗的反应。
- NACA 保护 NPCs 免受细胞死亡、内皮功能障碍、炎症和 HSCs 激活，保护肝细胞免受代谢功能障碍：辐射损伤 3 天后，观察到 NPCs 通道细胞数量减少，而 NACA 能减轻这种情况。对 NPCs 进行 ferroptosis 通路相关基因的 RT - PCR 分析发现，ferroptosis 通路可能参与了 NPCs 的细胞死亡。此外，NACA 还能降低与内皮损伤、炎症和 HSCs 激活相关的标志物表达，同时改善肝细胞的代谢功能，减少甘油三酯积累。
研究结论和讨论部分进一步强调了本研究的重要意义。研究表明，肝脏四细胞共培养芯片能够很好地模拟正常人类肝脏在辐射损伤后的变化，包括基因和蛋白质水平与细胞死亡、衰老、纤维化和炎症相关的改变。同时，验证了该芯片可用于评估 NACA 等潜在治疗措施的效果以及 RNA 标志物。虽然该模型存在一些局限性，如无法预测 RILD 对其他器官的影响，也不能考虑其他器官对 RILD 的影响等，但它仍然为临床和辐射暴露场景下保护肝脏免受辐射损伤的诊断和治疗策略提供了重要的参考，有望推动相关领域的进一步发展。
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