哺乳动物体内的细胞特性并非一成不变,而是随着它们在器官中的空间位置而呈现差异。例如,肝脏中靠近门静脉区域与中央静脉区域的肝细胞,其基因表达存在显著不同;同样,肠道从隐窝到底部到绒毛尖端,也呈现代谢和功能的分层分布。这种“空间分化”被认为与代谢活动密切相关,但对这种空间代谢规律的直接研究一直受限。
普林斯顿团队绘制肝脏与小肠代谢梯度图谱
2025年10月15日,美国普林斯顿大学Joshua D. Rabinowitz教授团队在《Nature》发表了一项突破性研究,题为《Spatial metabolic gradientsin the liver and small intestine》。研究小组通过结合矩阵辅助激光解吸/电离质谱成像(MALDI-IMS)、稳定同位素示踪和人工智能深度学习算法,建立了一个创新的实验与计算一体化分析平台,首次系统地绘制出小鼠肝脏和小肠的代谢空间分布图谱。

代谢物在肝小叶与肠绒毛中的空间分布规律
研究结果显示,超过90%的代谢物在肝脏和肠道组织中存在显著的空间浓度梯度。
在肝脏中,三羧酸循环(TCA)中间产物以及来源于谷氨酰胺和乳酸的同位素标记代谢物在空间上表现出不同的富集区域。特别是能量应激相关代谢物如AMP,主要集中在门静脉附近,这与该区域较高的能量需求高度吻合。
而在肠道中,TCA循环的中间物如苹果酸在绒毛顶端较为丰富,而柠檬酸则在隐窝区域集中。通过同位素追踪发现,这种分布反映出绒毛尖端细胞具有更活跃的谷氨酰胺分解代谢,而隐窝细胞则偏向乳酸的氧化代谢。
果糖代谢的空间机制与脂肪肝形成
研究团队进一步探讨了膳食果糖在体内的代谢流向。结果表明,果糖在小肠绒毛底部的代谢速度明显快于顶端。而在肝脏中,果糖代谢生成的中间物——果糖-1-磷酸(F1P)主要在靠近中央静脉的区域积聚,导致局部ATP水平下降,并触发脂质合成增加。这一发现揭示了果糖摄入引发脂肪肝形成的空间性代谢基础。
空间代谢研究的未来启示
这项研究不仅提供了关于肝脏与小肠代谢分区的全新理解,还为解释某些代谢性疾病(如脂肪肝、肠功能障碍)提供了新的思路。空间代谢图谱的建立,为今后利用精准代谢调控和药物干预开辟了重要方向。



