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科学家利用人类胚胎干细胞和诱导多能干细胞（iPSC）创造出具有毛发生长能力的皮肤类器官，并通过整合单细胞RNA测序、空间转录组学和多重RNA原位杂交等多种技术，首次创建出一个全面的人类产前皮肤多组学细胞图谱。相关研究结果[1]发表在《Nature》（影响因子IF=50.5）。该图谱揭示了产前皮肤中非免疫细胞和免疫细胞之间的相互作用，以及这些细胞如何参与毛囊形成、无疤痕伤口愈合和皮肤血管生成。毛发皮肤类器官平台为深入研究皮肤发育机制，实现皮肤再生带来新机遇。
皮肤是最大的人体器官，其发育过程对理解人类发育和相关疾病机制至关重要。
皮肤中的免疫细胞和细胞因子参与免疫反应，维护皮肤的健康状态。作为人体最外层的防御屏障，皮肤的免疫功能协同作用，形成复杂的免疫网络，保护机体免受外界病原体的侵害。
尽管免疫系统在皮肤形态发生中的作用已被科学家们逐渐认识到，但其具体机制尚不清晰。
近日，来自英国纽卡斯尔大学、威康桑格研究所（Wellcome Sanger Institute）的研究人员在培养皿中培育出能够长出毛发的人类皮肤“迷你器官”，并首次绘制人类产前皮肤的单细胞时空图谱，结合了单细胞和空间转录组学数据，以表征皮肤的微解剖组织生态位。
人类产前皮肤细胞图谱揭示了先天免疫细胞（巨噬细胞）是皮肤形态发生的关键参与者，通过非免疫细胞和免疫细胞之间的串扰功能，成为毛囊形成的基础，与无疤痕伤口愈合有关，对皮肤血管生成至关重要。这些发现为研究皮肤发育机制带来新见解，为先天性皮肤疾病靶向治疗带来新策略，为无疤痕愈合带来巨大潜能，同时，有望为患有疤痕性脱发甚至秃顶的患者进行皮肤移植新思路。
01
皮肤类器官成功构建与
皮肤发育时空图谱诞生
皮肤是人体最大的器官，平均面积高达两平方米。皮肤不仅提供保护屏障，而且可以调节体温，并能自我再生。
皮肤在子宫的无菌环境中发育，所有的毛囊都在出生前形成。出生前，皮肤具有独特的愈合能力，不会留下疤痕。出生后，集体开始进行毛囊循环（follicle cycling），但不会再有新的毛囊产生。
研究人类皮肤是如何发育的非常困难，因为动物模型有着关键的差异。随着类器官技术的诞生和再生医学的进步，推动了科学研究的深入发展。作为人类细胞图谱的一部分，研究人员首次创建了产前人类皮肤的单细胞图谱，以了解皮肤的发育过程及疾病发生机制。
研究人员使用人类胚胎干细胞和诱导多能干细胞（iPSC）创造出具有毛发生长能力的皮肤类器官（a hair-bearing skin organoid，SkO）模型，这个SkO模型在毛囊发育过程中密切概括了体内皮肤、表皮和真皮细胞类型以及与遗传性头发和皮肤病发病机制有关的基因表达。
通过将皮肤器官模型与人类产前皮肤（prenatal skin）的分子特征进行比较，研究发现，SkO模型比成人皮肤更接近出生前皮肤。
△ 分割染色后的人类皮肤细胞。（粉色：细胞膜。蓝色：细胞核。黄色绿色：内部细胞染色。）来源：威康桑格研究所
在产前皮肤scRNA-seq数据采集的534581个细胞中，有433961个通过了质量控制。根据差异表达基因（DEG）分配细胞标记（表皮、真皮基质、免疫和内皮）和细胞状态的细粒度注释，揭示了不同细胞群在妊娠期间的变化。研究人员分析预测了产前皮肤中不同的微环境，包括表皮、真皮、血管和神经细胞，每个微环境都包括特定类型的免疫细胞。
△ 实验概述证明从解离的产前皮肤细胞（7-17 孕周） 生成 scRNA-seq 数据。使用 RNAscope 、免疫荧光 和 Visium 分析进行空间实验，利用SkO共培养进行功能验证。产前皮肤图谱揭示了人类皮肤形态发生的免疫调节。
研究人员使用产前皮肤组织的样本，分解这些样本来观察悬浮的单个细胞，以及组织中的细胞。利用尖端的单细胞测序和空间转录组学来分析空间和时间中的单个细胞，以及调节皮肤和毛囊（HF）发育的细胞变化。研究表明先天免疫细胞可能支持HF早期发育期间的皮前凝聚物（pre-Dc）细胞迁移。在毛囊形成过程中的相应阶段，SkO模型的间充质细胞和上皮细胞之间突出显示的相互作用是保守的。这些研究结果加强了SkO作为产前皮肤发育准确模型的实用性。
△ 毛囊（HF）形成阶段示意图
在描述了HF发育过程中与表皮细胞串扰的真皮细胞类型，并捕获人类皮前凝聚物之后，研究人员绘制了产前皮肤的毛囊分化图，利用这些信息，科学家可以评估遗传性毛发疾病在子宫内起源的程度。例如大疱性表皮松解症（EB），先天性鱼鳞病由HF细胞异常分化，功能失调引起。值得注意的是，上述遗传性头发和皮肤病的产前皮肤和SkO中观察到的基因表发模式类似，进一步表明SkO作为研究先天性疾病模型的实验价值。
02
产前皮肤的免疫调节
及巨噬细胞重要作用
通过整合单细胞RNA测序（scRNA-seq）、空间转录组学和多重RNA原位杂交，该研究提供了前所未有的人类产前皮肤的高分辨率时空图谱，并展示了早期皮肤发育期间的细胞和分子相互作用。这个图谱还揭示了免疫细胞与非免疫细胞之间的相互作用，对理解人类皮肤形态发生在产前不同阶段的动态具有重要意义。
人类产前皮肤（prenatal skin）由先天免疫细胞（包括巨噬细胞）组成，但它们是仅作用于免疫还是具有形态发生中的其他功能尚不清楚。研究人员发现，通过将巨噬细胞加入到SkO模型后，巨噬细胞能促进血管的形成。这是首次证明巨噬细胞通过支持血管生长，在人类皮肤的早期发育中发挥关键作用。这为改善其他组织类器官的血管化提供了一种选择。
△ 巨噬细胞支持产前皮肤血管生成
巨噬细胞与产前器官发育期间和出生后环境中的血管生成有关，例如癌症相关的血管生成。研究人员观察到免疫缺陷的SkO中异质性内皮细胞越来越少，尽管形成了发育良好的毛囊细胞、表皮细胞和神经细胞等。
研究人员在SkO分化早期阶段，通过35天共培养评估了内皮网络。研究发现，在培养5周后，巨噬细胞仍与血管共定位。与没有巨噬细胞的对照 SkO 相比，在与巨噬细胞共培养的 SkO 中观察到更复杂和有组织的血管网络。由此确定了巨噬细胞在添加到由iPSC衍生的SkO模型后在血管网络重塑中的关键作用，这不仅对我们理解介导形态发生的多种细胞相互作用很重要，而且对通常无法血管化的体外模型也具有实际意义。
此外，研究小组还分析了出生前皮肤和成年皮肤之间细胞类型的差异。实验显示了巨噬细胞如何在产前皮肤的无疤痕皮肤修复中发挥重要作用，这可能导致临床应用以避免手术或创伤后的疤痕。
△ 人类皮肤细胞（青色：干细胞。橙色：角质细胞。绿色和紫色：免疫细胞），来源：威康桑格研究所
来自威康桑格研究所的共同第一作者Elena Winheim博士说：“通过我们的产前人类皮肤图谱，我们提供了制造人类皮肤的第一份分子‘配方’，并揭示了人类毛囊在出生前是如何形成的。这些见解具有惊人的临床潜力，可以用于再生医学，为烧伤患者或瘢痕性脱发患者提供皮肤和毛发移植。”
纽卡斯尔大学的第一作者Nusayhah Hudaa Gopee博士也表示，免疫细胞巨噬细胞似乎在产前皮肤的无疤痕皮肤修复中起着关键作用，或许可以为临床进步提供依据，有望实现无疤痕伤口愈合。
研究人员认为，这份人类产前皮肤图谱为探索与先天性毛发和皮肤疾病相关的基因提供宝贵资源，有望成为研究无疤痕愈合、皮肤移植、皮肤肿瘤靶向治疗等领域的重要理论基础。目前，所有研究数据已经全部免费公布在网站上（https://developmental.cellatlas.io/fetal-skin），以用于研究先天性皮肤病和探索再生医学的可能性。
综上，人类首次绘制的综合性多组学产前皮肤细胞图谱，扩展了对皮肤发育机制的理解，为免疫细胞如何影响皮肤形态发生提供了突破性见解，为开发新的皮肤疾病治疗靶点提供实验依据。类器官共培养模型为再生医学、疾病建模和个性化治疗的开发策略研究奠定了坚实的理论框架，展示出类器官技术在体外研究中的强大作用。
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“类器官拥有无限可能”！3D细胞体外培养模型类器官的横空出世，打破了传统2D细胞模型和动物实验的局限，可以高度模拟人体器官的组织结构和功能。随着类器官共培养模型的研发，对于疾病模型的研究、药物筛选、个性化医疗以及再生医学等领域具有重要意义，或将颠覆人们对现代医学的想象，带来更多疾病治疗的新机遇。
参考资料：
1. Nusayhah Hudaa Gopee, Elena Winheim，Muzlifah Haniffa，et al, A prenatal skin atlas reveals immune regulation of human skin morphogenesis, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08002-x. www.nature.com/articles/s41586-024-08002-x返回搜狐，查看更多
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