体外皮肤研究新模型——皮肤类器官

类器官

　　类器官（organoid）是通过多能干细胞（pluripotent stem cell）或胚胎干细胞（embryonic stem cell, ESC），分化为多个具有特异性器官的细胞类型，拥有与对应器官类似的空间组织和功能，在体外模拟出一个高度生理相关的系统，可以作为一种更有效的体外研究模型用于癌症、心脑血管疾病等热门领域的研究[1]。随着类器官技术的不断发展，科研人员从不同组织中分离出了不同类型细胞，培养出了胃、肝脏、肺、乳腺、前列腺等类器官（图1）。

图1 现有类器官模型种类

皮肤类器官

　　构建皮肤类器官的细胞有多种来源，包括来源于人脐带血的脐血单个核细胞、全能干细胞类的胚胎干细胞、分化功能强大的多能干细胞和诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs），以及来源成体干细胞的角质形成细胞和成纤维细胞等（图2）。皮肤的表皮层产生毛发和腺体，以角质形成细胞为主要细胞类型，它有助于体温调节和屏障形成；皮肤真皮层囊括了血管和神经等其他结构，以真皮成纤维细胞为主要驻留细胞，其产生ECM，并有助于毛囊的启动和循环。因此，根据皮肤生理结构特点，利用不同来源细胞，经定向培养或诱导分化，构建体外模拟皮肤组织系统的皮肤及其附属物类器官模型，有助于了解发育和体内平衡过程中不同细胞类型和分子信号通路的复杂相互作用。

　　皮肤类器官是体外保持细胞结构特征、细胞间关系以及细胞外基质的原代培养物。皮肤表皮来自外胚层，真皮则有不同的胚胎起源，而无论真皮起源如何，所有类型的皮肤都需要上皮（表皮）和间充质（真皮）细胞的相互作用才能最终发育并形成附属器[2-4]。在目前已建立的人类和小鼠的皮肤类器官中，Kim等[5]发现，CBMC-iPSC衍生的角质形成细胞和成纤维细胞具有与原代细胞系相似的特征。他们通过悬滴法生成均匀可控的胚胎体，将其附着在IV型胶原涂层培养皿上，成功分化出角质形成细胞和成纤维细胞，并将成纤维细胞连续传代至I型胶原包被板上，使其产生具有迁移和粘附功能的ECM，在高钙培养基的气液界面培养体系下，诱导CBMC-IPSC来源的皮肤类器官分层，并将其移植入小鼠，建立人源化小鼠模型。这项研究表明，人iPSC衍生的皮肤类器官很可能是一种全新的，而且可以在体内和体外替代成为皮肤研究的工具。

图2 构建皮肤类器官的主要细胞来源

皮肤附属物类器官

　　人类的皮肤系统除皮肤表皮层和真皮层外，它们还产生一些具有功能的附属物，例如毛囊、皮脂腺、汗腺和指甲。目前已经成功构建的三维皮肤附属物类器官如毛囊、皮脂腺和汗腺等，可以用于科学研究和临床治疗。毛囊结构复杂，横贯上皮和真皮两层，上皮成分包括内根鞘、外根鞘和毛干，真皮成分包括毛乳头和结缔组织鞘[6]。Gupta等[7]由丝胶蛋白水凝胶包封的毛乳头细胞球体、毛囊角化细胞和干细胞，构建了体外三维多细胞类器官模型。由此可以深入探讨毛囊形态发生的潜在机制以及毛发生长中更加复杂的分子信号传递。皮脂腺是皮肤表皮内的一个全分泌附属物，也是毛皮脂腺单位的重要组成部分，在皮肤内环境稳定中起着核心作用[8]。Feldman等[9]从小鼠中分离的单个 Blimp1 细胞具有在体外产生皮脂腺类器官的潜力。汗腺在体内具有分泌汗液、排泄废物、维持体温等多重生理功能，与其他皮肤成分一样起源于表皮祖细胞。Diao等[10]利用酶消化法将成年小鼠爪垫真皮中汗腺上皮细胞嵌入基质胶中而建立了小鼠汗腺类器官，并且移植在受伤部位后，可参与汗腺再生，能够有效地整合到组织中并使皮肤再生。

皮肤类器官的优势及应用

　　现有的体外皮肤研究模型多以体外培养的2D皮肤细胞、3D皮肤细胞模型为主，层间相互作用与真实生理状态还存在较大差距。利用经过人脐血干细胞、多能干细胞分化而成的三维皮肤类器官进行体外环境模拟培养，可以改善现有2D、3D模型培养细胞类型单一、缺乏细胞与ECM间相互作用、无法在体外自组织分化的局限性，缩小了与体内多细胞组织及其生理功能的差异性[11-13]。

　　近年来，随着动物替代试验在欧美等国的推行以及类器官的广泛研究与应用，体外构建的皮肤类器官开始用于在体外最大程度模拟人体皮肤环境，对皮肤疾病进行更直观有效的研究治疗，例如：体外研究皮肤疾病的病理生理学和系统修复损伤。除此之外，皮肤类器官的应用从构建实验室研究模型向伤后愈合、皮肤癌症、免疫代谢疾病和炎症疾病治疗及药物测试领域不断扩展。

展望

　　现有类器官种类较多，但皮肤类器官的研究相对较少。皮肤癌在中国的发病率较低，但在白色人种中却是常见的恶性肿瘤之一。2017年，通过对全球195个国家29大类癌症的发病率、死亡率等数据统计发现，全球癌症发病率最高的为非黑色素瘤皮肤癌（常见为基底细胞癌和皮肤鳞状细胞癌）[14]。2020年，非黑色素瘤皮肤癌在全球癌症发病率中位列第4[15]。对于皮肤类器官模拟皮肤肿瘤机制和应用治疗的相关研究和论文数量远低于小肠、肝脏等器官，亟待研究并建立皮肤类器官以用于科学研究和皮肤病临床治疗[16]。

　　无论是最早研究的肠类器官，还是最新研究展示的皮肤类器官，都遵循自然发育程序，由干细胞定向分化，而构建起与体内对应物相似的结构功能。通过类器官的验证和大规模筛选，可以获得大量前期数据，为后期动物实验的开展提供支撑，并节约成本、缩短实验周期。但是，类器官在研究和应用中大都存在以下两个重要问题：一是类器官培养缺乏一致性，目前无法达到标准化生产；二是现有类器官附属物种类不全，无法真实模拟脂质代谢、血液循环等体内生理情况。对于目前类器官技术存在的局限，相关研究仍然不能满足实际应用要求，未来还需要能够大规模稳定生产的技术和方法。相信在不远的将来，皮肤类器官所涵盖的细胞和组织种类将越来越丰富，具备免疫反应、代谢、血液循环等体内功能，可以在体外环境下实现更接近真实状态的皮肤生理生态系统。（详情请点击阅读原文）

　　[1] Hu J L, Todhunter M E, LaBarge M A, et al. Opportunities for organoids as new models of aging. J Cell Biol, 2018, 217(1): 39-50

　　[2] Lee J, B？scke R, Tang P C, et al. Hair follicle development in mouse pluripotent stem cell-derived skin organoids. Cell Rep, 2018, 22(1): 242-254

　　[3] Asakawa K, Toyoshima K E, Ishibashi N, et al. Hair organ regeneration via the bioengineered hair follicular unit transplantation. Sci Rep, 2012, 2: 424

　　[4] Fernandes K J, McKenzie I A, Mill P, et al. A dermal niche for multipotent adult skin-derived precursor cells. Nat Cell Biol, 2004, 6(11): 1082-1093

　　[5] Kim Y, Ju J H. Generation of 3D skin organoid from cord blood-derived induced pluripotent stem cells. J Vis Exp, 2019(146): e59297

　　[6] Paus R, Cotsarelis G. The biology of hair follicles. N Engl J Med, 1999, 341(7): 491-497

　　[7] Gupta A C, Chawla S, Hegde A, et al. Establishment of an in vitro organoid model of dermal papilla of human hair follicle. J Cell Physiol, 2018, 233(11): 9015-9030

　　[8] Niemann C, Horsley V. Development and homeostasis of the sebaceous gland. Semin Cell Dev Biol, 2012, 23(8): 928-936

　　[9] Feldman A, Mukha D, Maor I I, et al. Blimp1+ cells generate functional mouse sebaceous gland organoids in vitro. Nat Commun, 2019, 10(1): 2348

　　[10] Diao J M, Liu J, Wang S Y, et al. Sweat gland organoids contribute to cutaneous wound healing and sweat gland regeneration. Cell Death Dis, 2019, 10(3): 238

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　　[14] Global Burden of Disease Cancer Collaboration. Global, regional, and national cancer incidence, mortality, years of life lost, years lived with disability, and disability-adjusted life-years for 29 cancer groups, 1990 to 2017: a systematic analysis for the global burden of disease study. JAMA Oncol, 2019, 5(12): 1749-1768

　　[15] Sung H, Ferlay J, Siegel R L, et al. Global cancer statistics 2020: GLOBOCAN estimates of incidence and mortality worldwide for 36 cancers in 185 countries. CA Cancer J Clin, 2021,71(3):209-249

　　[16] 高天文,郭伟楠.中国黑素瘤研究进展与新治疗策略.中华皮肤科杂志, 2021, 54(1): 27-32

　　作者简介：

　　王敏：北京工商大学化学与材料工程学院化妆品专业副教授，研究方向为细胞生物学与化妆品（原料）安全与功效评价。

　　张临风：北京工商大学化学与材料工程学院化妆品专业在读研究生。目前研究方向为细胞生物学与化妆品（原料）安全与功效评价。

（作者：王敏、张临风）

（本文来源于公众号： 生物化学与生物物理进展）