SOX2 x KLF4 x POU5F1

OTC2025论坛深度聚焦类器官与疾病建模、新药发现/研发、3D细胞培养、类器官培养及质控。展位咨询请联系：王晨 180 1628 8769。一、引言1.1 研究背景与意义皮肤作为人体最大的器官，具有保护身体、调节体温、感知外界刺激等多种重要功能。然而，由于其直接暴露于外界环境，皮肤容易受到各种损伤和疾病的侵袭，如烧伤、创伤、皮肤癌、遗传性皮肤病等，这些问题不仅影响患者的身体健康，还对其生活质量造成了严重的负面影响。传统的皮肤研究主要依赖于动物模型和二维细胞培养，但动物模型存在种属差异，无法完全模拟人体皮肤的生理和病理过程；二维细胞培养则难以真实反映皮肤组织的三维结构和细胞间的相互作用。因此，开发一种能够高度模拟人体皮肤生理和病理特征的研究模型具有重要的科学意义和临床应用价值。皮肤类器官作为一种新兴的研究工具，应运而生。它是由多能干细胞或成体干细胞在特定条件下分化形成的，具有与天然皮肤相似的组织结构和功能，包括表皮、真皮、毛囊、皮脂腺等。皮肤类器官不仅能够在体外长期培养，还可以进行基因编辑和药物筛选等操作，为皮肤科学研究提供了新的思路和方法。通过构建皮肤类器官模型，科研人员可以深入研究皮肤发育、分化和疾病发生的分子机制，为开发新的治疗方法和药物提供理论基础。在临床治疗方面，皮肤类器官也展现出了巨大的潜力。对于大面积烧伤、创伤等皮肤缺损患者，传统的治疗方法主要是自体皮肤移植或异体皮肤移植，但这些方法存在供皮区有限、免疫排斥等问题。皮肤类器官可以作为一种理想的替代物，用于皮肤修复和再生治疗。此外，对于一些遗传性皮肤病，如遗传性大疱性表皮松解症等，由于缺乏有效的治疗方法，患者往往面临着巨大的痛苦。皮肤类器官可以用于疾病建模和药物筛选，为寻找新的治疗靶点和药物提供可能。皮肤类器官的研究不仅有助于推动皮肤科学的发展，还为临床治疗提供了新的策略和方法，具有广阔的应用前景和重要的社会意义。1.2 研究目的和方法本论文旨在全面、系统地探讨皮肤类器官的研究进展与临床应用，深入剖析皮肤类器官在皮肤科学领域的重要性及其应用前景。具体研究目的如下：阐述皮肤类器官的研究进展：梳理皮肤类器官的发展历程，从其概念的提出到技术的不断演进，阐述各个阶段的关键突破和重要成果。详细介绍皮肤类器官的构建技术，包括细胞来源、培养方法、诱导分化条件等，分析不同构建方法的优缺点及适用范围。深入研究皮肤类器官的特性，如组织结构、细胞组成、功能特点等，揭示其与天然皮肤的相似性和差异。分析皮肤类器官的临床应用：探讨皮肤类器官在皮肤疾病研究中的应用，如作为疾病模型用于研究疾病的发病机制、病理过程和遗传因素等，为开发新的治疗方法提供理论依据。研究皮肤类器官在药物筛选和评价中的应用，评估其在预测药物疗效、安全性和毒性方面的优势和局限性，为新药研发提供高效的体外模型。分析皮肤类器官在皮肤修复和再生治疗中的应用，探讨其在治疗烧伤、创伤、慢性溃疡等皮肤缺损疾病中的潜力和前景，为临床治疗提供新的策略和方法。探讨皮肤类器官面临的挑战与未来发展方向：分析皮肤类器官在研究和应用过程中面临的技术、伦理、成本等方面的挑战，提出相应的解决方案和应对策略。展望皮肤类器官的未来发展方向，结合新兴技术如基因编辑、3D 打印、微流控芯片等，预测其在皮肤科学领域的创新应用和发展趋势。为实现上述研究目的，本论文采用了以下研究方法：文献综述法：广泛收集和查阅国内外关于皮肤类器官的研究文献，包括学术期刊论文、学位论文、研究报告、专利等，对相关资料进行系统梳理和分析，全面了解皮肤类器官的研究进展、临床应用现状及存在的问题。通过文献综述，总结前人的研究成果和经验，为本文的研究提供理论基础和研究思路。案例分析法：选取典型的皮肤类器官研究案例和临床应用案例，进行深入分析和研究。通过对具体案例的剖析，探讨皮肤类器官在实际应用中的效果、优势和不足，总结成功经验和教训，为进一步优化皮肤类器官的构建和应用提供参考。比较研究法：对不同的皮肤类器官构建技术、培养方法、应用领域等进行比较分析，研究它们之间的差异和优缺点。通过比较研究，找出最适合特定研究目的和临床应用需求的方法和策略，为皮肤类器官的发展提供科学依据。专家访谈法：与皮肤类器官领域的专家学者进行访谈，了解他们在该领域的研究成果、实践经验和对未来发展的看法。通过专家访谈，获取最新的研究动态和前沿信息，拓宽研究视野，为本文的研究提供专业指导。二、皮肤类器官概述2.1 定义与特点皮肤类器官是一类在体外构建的、高度模拟天然皮肤生理结构和功能的三维细胞培养物。它通常由多能干细胞（如胚胎干细胞、诱导多能干细胞）或成体干细胞（如表皮干细胞、毛囊干细胞、真皮干细胞等）在特定的培养条件下分化形成 。这些细胞在合适的细胞外基质和生长因子的诱导下，能够自我组织和定向分化，形成具有多种细胞类型和特定组织结构的类器官，包括表皮、真皮、毛囊、皮脂腺等皮肤附属器，展现出与真实皮肤相似的生理功能和生物学行为 。皮肤类器官具有以下显著特点：高度模拟天然皮肤结构：从组织结构上看，皮肤类器官包含了与天然皮肤相似的多个层次和结构。表皮层由角质形成细胞等组成，形成多层结构，具有与天然表皮类似的分化和屏障功能；真皮层则含有成纤维细胞等，能够分泌细胞外基质，如胶原蛋白、弹性纤维等，赋予皮肤类器官一定的弹性和韧性，模拟天然真皮的力学性能 。毛囊结构复杂，在皮肤类器官中也能得到较好的重现，从毛囊干细胞分化出的各种细胞，构成了内根鞘、外根鞘和毛干等结构，使其具备毛发生长和周期调控的潜力 。皮脂腺同样在皮肤类器官中有所体现，能够分泌皮脂，参与皮肤的脂质代谢和屏障功能维护 。这种高度模拟天然皮肤结构的特点，使得皮肤类器官在研究皮肤生理和病理过程中具有重要价值。具备皮肤生理功能：皮肤类器官不仅在结构上与天然皮肤相似，还能在一定程度上展现出皮肤的生理功能 。例如，皮肤类器官的表皮层能够形成紧密的细胞连接，如桥粒和紧密连接等，构建起有效的物理屏障，阻挡外界病原体和有害物质的侵入，同时减少体内水分的散失，维持皮肤的水分平衡 。在代谢功能方面，皮肤类器官中的细胞能够进行正常的物质代谢，如葡萄糖的摄取和利用、脂质的合成和代谢等，参与维持皮肤的正常生理状态 。皮肤类器官还能够对外部刺激产生反应，如在受到紫外线照射时，能够模拟天然皮肤的光损伤反应，包括 DNA 损伤修复、炎症因子的释放以及细胞凋亡等过程，为研究紫外线对皮肤的影响提供了良好的模型 。细胞间相互作用与信号传导：皮肤类器官内存在着多种细胞类型，这些细胞之间通过复杂的细胞间相互作用和信号传导网络维持着类器官的正常发育和功能 。表皮细胞与真皮细胞之间通过分泌细胞因子和生长因子进行通讯，如表皮生长因子（EGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）等，调节细胞的增殖、分化和迁移 。毛囊干细胞与周围的细胞，如毛乳头细胞、真皮鞘细胞等之间的相互作用，对于毛囊的形成、生长和周期调控至关重要 。在皮肤类器官中，这些细胞间的相互作用和信号传导过程能够得到较好的模拟，使得研究人员可以深入探讨皮肤发育和疾病发生过程中的分子机制 。可进行基因编辑和药物筛选：皮肤类器官的细胞来源多样，且在体外易于操作，这使得基因编辑技术能够方便地应用于皮肤类器官的研究中 。通过 CRISPR - Cas9 等基因编辑工具，可以对皮肤类器官中的特定基因进行敲除、敲入或突变，从而研究基因在皮肤发育、分化和疾病发生中的功能 。皮肤类器官还可用于药物筛选和评价 。研究人员可以将不同的药物作用于皮肤类器官，观察其对细胞增殖、分化、代谢等功能的影响，以及对皮肤结构和功能的改变，从而快速筛选出具有潜在治疗效果的药物，并评估药物的安全性和毒性 。这种体外药物筛选模型能够减少动物实验的使用，降低研究成本，同时提高药物研发的效率和准确性 。2.2 发展历程皮肤类器官的发展是一个逐步演进的过程，经历了从简单的皮肤模型到复杂的、高度模拟天然皮肤的类器官的转变，这一历程见证了干细胞技术、细胞培养技术以及生物工程技术的不断进步。早期的皮肤研究主要依赖于二维细胞培养技术，科学家们在培养皿中培养皮肤细胞，如角质形成细胞、成纤维细胞等，这种方法虽然操作简单、成本较低，但无法真实反映皮肤的三维结构和细胞间的相互作用 。二维培养的细胞缺乏与细胞外基质（ECM）的有效接触，其生长和分化行为与体内环境存在较大差异，限制了对皮肤生理和病理过程的深入研究 。随着技术的发展，三维皮肤模型应运而生。最初的三维皮肤模型是将角质形成细胞接种于起支架作用的含有成纤维细胞的胶原或纤维蛋白基质上构建而成 。这种模型在一定程度上模拟了皮肤的结构，能够体现表皮与真皮之间的相互作用，比二维细胞培养更接近真实皮肤的生理状态 。进一步地，利用成纤维细胞在体外能自身分泌细胞外基质的特点，生成了完全由人体组件组成的 3D 皮肤模型 。这些模型在皮肤生理学、药理学和毒理学研究中得到了广泛应用，为皮肤研究提供了更有效的工具 。然而，传统的三维皮肤模型仍然存在局限性，它们缺乏皮肤附属器，如毛囊、皮脂腺等，无法完全模拟天然皮肤的复杂结构和功能 。类器官技术的兴起为皮肤研究带来了新的突破。2009 年，Sato 等利用体外培养的单个 Lgr5 干细胞，成功获得包含小肠潘氏细胞、杯状细胞、肠上皮细胞的肠道类器官，建立了类器官培养系统 。这一成果激发了科研人员在其他器官领域构建类器官的探索，皮肤类器官的研究也逐渐展开 。科研人员开始尝试利用多能干细胞（如胚胎干细胞、诱导多能干细胞）或成体干细胞（如表皮干细胞、毛囊干细胞、真皮干细胞等）构建皮肤类器官 。通过优化培养条件，包括选择合适的细胞外基质、添加特定的生长因子和信号通路调节剂等，逐步实现了皮肤类器官的构建 。在皮肤类器官的发展过程中，关键的突破之一是实现了毛囊等皮肤附属器的再生 。例如，美国哈佛医学院研究人员卡尔・克勒及其同事，利用人类多能干细胞生成皮肤类器官，经过 4 - 5 个月的培养期，这些类器官具有明显的表皮层和真皮层，而且含有毛囊、皮脂腺和紧密连接的神经回路 。将它们移植到免疫功能不全的小鼠的背上皮肤后，55% 的移植物上都长出了 2 - 5 毫米的毛发，表明该类器官能够与小鼠表皮融合，形成含人类毛发的皮肤 。这一成果为皮肤类器官在皮肤再生医学领域的应用奠定了基础 。近年来，随着单细胞测序技术、空间转录组学等技术的发展，皮肤类器官的研究更加深入 。通过整合这些技术，科研人员能够对皮肤类器官中的细胞类型、基因表达谱以及细胞间的相互作用进行更全面、细致的分析 。例如，通过单细胞 RNA 测序和空间转录组学，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 。这些研究成果不仅加深了我们对皮肤发育和疾病发生机制的理解，也为皮肤类器官在疾病建模、药物筛选和治疗等方面的应用提供了更坚实的理论基础 。随着微流控技术和 3D 打印技术等新兴技术的不断融入，皮肤类器官的构建和应用也在不断拓展和创新 。微流控技术可以精确控制细胞培养的微环境，模拟体内的生理流体环境，为皮肤类器官的培养提供更接近体内真实情况的条件 。3D 打印技术则能够根据预设的结构和成分，定制化构建皮肤类器官，实现对皮肤组织结构和功能的更精准模拟 。这些技术的应用为皮肤类器官的发展带来了新的机遇和挑战，推动着皮肤类器官研究不断向前发展 。2.3 构建技术与细胞来源2.3.1 构建技术皮肤类器官的构建是一个复杂而精细的过程，涉及多种技术和方法，其核心在于模拟体内微环境，诱导干细胞分化并组织成具有特定结构和功能的类器官。细胞培养技术：细胞培养是构建皮肤类器官的基础技术。在培养过程中，需要为细胞提供适宜的生长环境，包括合适的培养基、温度、湿度和气体条件等 。培养基通常包含多种营养成分，如氨基酸、维生素、矿物质、葡萄糖等，以满足细胞生长和代谢的需求 。还需要添加血清或特定的生长因子，以促进细胞的增殖和分化 。例如，在培养表皮干细胞时，添加表皮生长因子（EGF）可以促进其增殖和分化为角质形成细胞 。温度一般控制在 37℃左右，这是人体细胞生长的最适温度；湿度保持在 95% 左右，以防止培养基蒸发；气体环境则以 5% CO₂和 95% 空气为主，CO₂用于维持培养基的 pH 值稳定 。三维培养技术：传统的二维细胞培养无法真实反映细胞在体内的三维结构和相互作用，而三维培养技术能够为细胞提供更接近体内环境的生长空间 。常用的三维培养方法包括支架材料培养和无支架培养 。支架材料培养是将细胞接种在具有三维结构的支架材料上，如胶原、明胶、纤维蛋白、壳聚糖等，这些支架材料可以为细胞提供物理支撑，并模拟细胞外基质（ECM）的功能，促进细胞的黏附、增殖和分化 。无支架培养则是利用细胞自身的聚集和黏附能力，形成三维的细胞聚集体，如悬滴培养法、旋转培养法等 。悬滴培养法是将细胞悬液滴在培养皿盖内表面，通过重力作用使细胞聚集在液滴底部，形成类器官；旋转培养法则是在旋转培养装置中，使细胞在培养液中不断旋转，促进细胞间的相互作用和聚集，从而形成类器官 。诱导分化技术：诱导干细胞向皮肤细胞分化是构建皮肤类器官的关键步骤。这需要通过添加特定的生长因子、细胞因子和信号通路调节剂等，调控细胞的基因表达和分化方向 。在诱导胚胎干细胞或诱导多能干细胞分化为皮肤类器官时，通常需要依次添加骨形态发生蛋白（BMP）、成纤维细胞生长因子（FGF）等生长因子，激活相关信号通路，促进细胞向表皮和真皮方向分化 。添加 Wnt 信号通路激动剂可以促进毛囊干细胞的增殖和分化，有利于毛囊的形成 。还可以通过基因编辑技术，如 CRISPR - Cas9，对细胞的基因进行修饰，增强或抑制某些基因的表达，从而精确调控细胞的分化过程 。组织工程技术：组织工程技术结合了细胞生物学、材料科学和工程学等多学科知识，旨在构建具有生物活性和功能的组织或器官 。在皮肤类器官构建中，组织工程技术可以用于构建更复杂的皮肤结构，如含有血管、神经等组织的皮肤类器官 。通过将内皮细胞与皮肤干细胞共同培养，在合适的条件下可以诱导血管的形成，从而构建具有血管化的皮肤类器官 。利用生物打印技术，可以精确控制细胞和生物材料的分布，按照预设的结构和形状构建皮肤类器官 。生物打印技术能够将细胞和生物墨水（如含有细胞外基质成分的材料）逐层打印，形成具有特定三维结构的皮肤类器官，为皮肤修复和再生提供更理想的替代物 。2.3.2 细胞来源皮肤类器官的构建依赖于多种细胞来源，不同的细胞来源具有各自的特点和优势，为皮肤类器官的研究和应用提供了多样化的选择。胚胎干细胞（Embryonic Stem Cells，ESCs）：胚胎干细胞是从早期胚胎（囊胚期）的内细胞团中分离得到的一类具有全能性的细胞 。它们具有无限增殖和分化为体内各种细胞类型的能力，理论上可以分化为皮肤类器官所需的所有细胞，包括表皮细胞、真皮细胞、毛囊干细胞等 。由于胚胎干细胞来源于早期胚胎，其使用涉及伦理和道德问题，受到严格的法律和伦理限制 。胚胎干细胞在分化过程中可能会出现分化不均一、形成畸胎瘤等风险，这也限制了其在皮肤类器官构建中的广泛应用 。诱导多能干细胞（Induced Pluripotent Stem Cells，iPSCs）：诱导多能干细胞是通过将特定的转录因子（如 Oct4、Sox2、Klf4 和 c - Myc 等）导入成体细胞（如皮肤成纤维细胞、血细胞等）中，使其重编程为具有多能性的干细胞 。iPSCs 具有与胚胎干细胞相似的分化能力，能够分化为皮肤类器官所需的各种细胞类型 。与胚胎干细胞相比，iPSCs 的获取不涉及胚胎，避免了伦理争议，且可以来源于患者自身的体细胞，具有较低的免疫排斥风险，更适合用于个性化治疗 。iPSCs 的重编程过程可能会引入基因突变，影响细胞的安全性和稳定性 。此外，iPSCs 的分化效率和质量仍有待提高，如何实现 iPSCs 向皮肤细胞的高效、定向分化，是目前研究的重点和难点之一 。成体干细胞：成体干细胞是存在于成体组织和器官中的一类具有自我更新和分化能力的细胞 。在皮肤类器官构建中，常用的成体干细胞包括表皮干细胞、毛囊干细胞和真皮干细胞等 。表皮干细胞主要位于表皮的基底层，具有较强的自我更新和分化能力，能够分化为角质形成细胞，参与表皮的更新和修复 。毛囊干细胞位于毛囊的隆突部，在毛发生长周期中发挥着关键作用，能够分化为毛囊的各种细胞，包括内根鞘细胞、外根鞘细胞和毛干细胞等 。真皮干细胞存在于真皮层，能够分化为成纤维细胞、周细胞和血管内皮细胞等，参与真皮的修复和再生 。成体干细胞来源于患者自身组织，免疫原性低，安全性较高 。然而，成体干细胞的数量有限，且随着年龄的增长，其增殖和分化能力会逐渐下降 。此外，成体干细胞的分离和培养过程相对复杂，需要特定的技术和条件 。其他细胞来源：除了上述细胞来源外，还有一些其他细胞也被用于皮肤类器官的构建 。人脐血干细胞是一种来源于脐带血的多能干细胞，具有取材方便、免疫原性低等优点 。研究表明，人脐血干细胞可以分化为皮肤细胞，并参与皮肤类器官的构建 。脂肪干细胞是从脂肪组织中分离得到的一类干细胞，具有多向分化潜能，能够分化为成纤维细胞、脂肪细胞等，在皮肤类器官构建中也具有一定的应用潜力 。这些细胞来源为皮肤类器官的研究和应用提供了新的思路和方法，但它们的分化机制和应用效果仍需要进一步深入研究 。三、皮肤类器官在皮肤发育研究中的应用3.1 模拟皮肤发育过程皮肤的发育是一个高度有序且复杂的过程，涉及多细胞类型的分化、组织形成以及细胞间的相互作用 。皮肤类器官为研究这一过程提供了一个独特的平台，能够在体外模拟胚胎期皮肤发育的关键步骤。在胚胎发育早期，皮肤起源于外胚层和中胚层。外胚层细胞逐渐分化为表皮细胞，中胚层细胞则分化为真皮细胞 。利用皮肤类器官，研究人员可以从多能干细胞（如胚胎干细胞、诱导多能干细胞）出发，通过添加特定的生长因子和信号通路调节剂，模拟体内的发育信号，诱导干细胞向表皮和真皮细胞分化 。添加骨形态发生蛋白（BMP）可以促进干细胞向表皮方向分化，而添加成纤维细胞生长因子（FGF）则有助于真皮细胞的形成 。通过这种方式，能够在体外重现表皮和真皮的形成过程，研究其在发育过程中的分子调控机制 。毛囊的形成是皮肤发育过程中的一个重要事件，也是皮肤类器官研究的重点之一 。毛囊的发育始于胚胎期，经历了一系列复杂的形态发生和细胞分化过程 。在皮肤类器官中，通过优化培养条件，可以诱导毛囊干细胞的分化和毛囊结构的形成 。研究表明，Wnt 信号通路在毛囊发育中起着关键作用，激活 Wnt 信号通路可以促进毛囊干细胞的增殖和分化，形成毛囊的各个组成部分，包括内根鞘、外根鞘和毛干等 。利用皮肤类器官，研究人员可以深入研究 Wnt 信号通路以及其他相关信号通路（如 Notch、BMP 等）在毛囊发育中的相互作用和调控机制 。皮脂腺的发育同样可以在皮肤类器官中进行模拟 。皮脂腺是皮肤的重要附属器之一，由表皮细胞分化而来 。在皮肤类器官中，通过特定的培养条件和细胞因子的作用，可以诱导表皮细胞分化为皮脂腺细胞，形成具有分泌功能的皮脂腺结构 。这为研究皮脂腺的发育机制、皮脂分泌的调控以及相关皮肤疾病（如痤疮等）的发病机制提供了有力的工具 。皮肤类器官还能够模拟皮肤发育过程中的细胞间相互作用 。在天然皮肤中，表皮细胞与真皮细胞之间存在着紧密的相互联系，通过分泌细胞因子和生长因子等信号分子，相互调节对方的增殖、分化和功能 。在皮肤类器官中，这种细胞间的相互作用也能得到较好的体现 。真皮成纤维细胞分泌的细胞外基质成分和生长因子，如胶原蛋白、弹性纤维、FGF 等，能够影响表皮细胞的生长和分化；表皮细胞则通过分泌细胞因子，如表皮生长因子（EGF）等，调节真皮成纤维细胞的活性 。通过研究皮肤类器官中细胞间的相互作用，有助于深入理解皮肤发育的分子机制，以及皮肤疾病的发生发展过程 。近日，纽卡斯尔大学等机构的科学家们通过研究首次创建了人类产前皮肤的单细胞图谱 。他们利用成体干细胞在培养皿中开发出了具有生长毛发能力的皮肤类器官，通过将皮肤类器官的分子特征与产前皮肤进行比较，发现皮肤类器官模型比成体皮肤更接近于产前皮肤 。这一研究成果为利用皮肤类器官模拟皮肤发育过程提供了重要的证据，也为进一步研究皮肤发育机制和相关疾病的发病机制奠定了基础 。3.2 探索毛囊、皮脂腺等附属器发育机制毛囊和皮脂腺作为皮肤的重要附属器，其发育机制一直是皮肤科学研究的重点和难点。皮肤类器官为深入探究这些附属器的发育过程提供了有力的工具，极大地推动了相关领域的研究进展。3.2.1 毛囊发育机制研究毛囊的发育是一个极为复杂且高度有序的过程，涉及多种细胞类型的相互作用以及多条信号通路的精细调控 。在胚胎发育早期，表皮与真皮之间的相互诱导作用启动了毛囊的发育进程 。皮肤类器官能够在体外模拟这一复杂的发育环境，使得研究人员可以对毛囊发育的各个阶段进行深入研究 。在皮肤类器官中，毛囊干细胞是毛囊发育的关键细胞 。这些干细胞具有自我更新和分化的能力，能够在特定的信号刺激下，分化为构成毛囊的各种细胞类型 。研究表明，Wnt 信号通路在毛囊干细胞的激活和分化中起着核心作用 。当 Wnt 信号通路被激活时，毛囊干细胞被诱导进入增殖状态，随后逐渐分化为内根鞘、外根鞘和毛干等细胞 。通过在皮肤类器官中对 Wnt 信号通路进行调控，研究人员发现，增强 Wnt 信号可以促进毛囊干细胞的增殖和分化，导致更多的毛囊形成；而抑制 Wnt 信号则会阻碍毛囊的发育，使毛囊数量减少 。除了 Wnt 信号通路，Notch 信号通路也在毛囊发育中发挥着重要作用 。Notch 信号通路主要参与调节毛囊干细胞的分化方向和细胞命运 。在毛囊发育过程中，Notch 信号的激活能够促使毛囊干细胞向表皮细胞分化，而抑制 Notch 信号则有利于毛囊干细胞向毛囊细胞分化 。在皮肤类器官中，通过基因编辑技术敲低 Notch 信号通路相关基因的表达，研究人员观察到毛囊干细胞更多地向毛囊细胞分化，毛囊结构更加完整 。这一结果表明，Notch 信号通路在毛囊发育中起到了重要的调控作用，通过调节该信号通路可以影响毛囊的发育进程 。BMP（骨形态发生蛋白）信号通路同样在毛囊发育中扮演着不可或缺的角色 。BMP 信号通路主要参与毛囊发育的起始和周期性调控 。在毛囊发育的起始阶段，BMP 信号的抑制是启动毛囊发育的关键因素之一 。而在毛囊的生长周期中，BMP 信号的动态变化则对毛囊的生长、退行和休止期的转换起着重要的调节作用 。在皮肤类器官中，通过添加 BMP 信号抑制剂，可以促进毛囊的起始发育，使毛囊数量增加；而添加 BMP 信号激活剂则会抑制毛囊的起始发育，导致毛囊数量减少 。这表明 BMP 信号通路在毛囊发育的起始和周期性调控中具有重要的调节作用，通过调节该信号通路可以影响毛囊的发育进程和生长周期 。皮肤类器官还为研究毛囊发育过程中的细胞间相互作用提供了良好的模型 。在毛囊发育过程中，毛囊干细胞与周围的细胞，如毛乳头细胞、真皮鞘细胞等之间存在着紧密的相互作用 。毛乳头细胞能够分泌多种生长因子和信号分子，如 FGF（成纤维细胞生长因子）、PDGF（血小板衍生生长因子）等，这些因子对毛囊干细胞的增殖、分化和毛囊的生长起着重要的调节作用 。真皮鞘细胞则通过与毛囊干细胞的直接接触和分泌细胞外基质成分，为毛囊干细胞提供支持和微环境 。在皮肤类器官中，研究人员可以通过共培养等技术，深入研究这些细胞间的相互作用机制 。例如，将毛囊干细胞与毛乳头细胞共培养，观察到毛乳头细胞分泌的生长因子能够促进毛囊干细胞的增殖和分化，使毛囊结构更加完整 。这一结果表明，细胞间的相互作用在毛囊发育中起着重要的作用，通过调节这些相互作用可以影响毛囊的发育进程 。3.2.2 皮脂腺发育机制研究皮脂腺是皮肤的另一种重要附属器，其主要功能是分泌皮脂，参与皮肤的脂质代谢和屏障功能维护 。皮脂腺的发育同样是一个复杂的过程，涉及多个基因和信号通路的调控 。皮肤类器官为研究皮脂腺的发育机制提供了独特的视角 。在皮肤类器官中，皮脂腺的发育起源于表皮干细胞 。表皮干细胞在特定的信号刺激下，逐渐分化为皮脂腺前体细胞，进而形成成熟的皮脂腺 。研究发现，Blimp1 基因在皮脂腺发育中起着关键作用 。Blimp1 是一种转录因子，能够调控皮脂腺前体细胞的分化和增殖 。在皮肤类器官中，通过基因编辑技术敲除 Blimp1 基因，发现皮脂腺的发育受到严重抑制，皮脂腺数量明显减少 。这表明 Blimp1 基因在皮脂腺发育中具有重要的调控作用，是皮脂腺发育的关键基因之一 。Wnt 信号通路在皮脂腺发育中也具有重要作用 。与毛囊发育类似，Wnt 信号通路的激活能够促进皮脂腺前体细胞的增殖和分化，有利于皮脂腺的形成 。在皮肤类器官中，添加 Wnt 信号通路激动剂可以观察到皮脂腺前体细胞的增殖明显增加，皮脂腺的数量和大小也相应增加 。而抑制 Wnt 信号通路则会导致皮脂腺发育受阻，皮脂腺数量减少 。这表明 Wnt 信号通路在皮脂腺发育中起着重要的调节作用，通过调节该信号通路可以影响皮脂腺的发育进程 。Notch 信号通路同样参与了皮脂腺的发育调控 。在皮脂腺发育过程中，Notch 信号的激活能够抑制皮脂腺前体细胞的分化，使其保持未分化状态 。而当 Notch 信号被抑制时，皮脂腺前体细胞则会向成熟的皮脂腺细胞分化 。在皮肤类器官中，通过调节 Notch 信号通路的活性，研究人员可以观察到皮脂腺发育的相应变化 。例如，敲低 Notch 信号通路相关基因的表达，可以促进皮脂腺前体细胞的分化，使皮脂腺数量增加；而激活 Notch 信号通路则会抑制皮脂腺前体细胞的分化，导致皮脂腺数量减少 。这表明 Notch 信号通路在皮脂腺发育中起着重要的调控作用，通过调节该信号通路可以影响皮脂腺的发育进程 。皮肤类器官还为研究皮脂腺发育过程中的细胞间相互作用提供了平台 。在皮脂腺发育过程中，皮脂腺细胞与周围的表皮细胞、毛囊细胞等之间存在着密切的相互作用 。这些细胞间的相互作用通过分泌细胞因子和生长因子等信号分子来实现，对皮脂腺的发育和功能起着重要的调节作用 。在皮肤类器官中，研究人员可以通过共培养等技术，深入研究这些细胞间的相互作用机制 。例如，将皮脂腺细胞与表皮细胞共培养，观察到表皮细胞分泌的细胞因子能够促进皮脂腺细胞的增殖和分化，使皮脂腺功能更加完善 。这一结果表明，细胞间的相互作用在皮脂腺发育中起着重要的作用，通过调节这些相互作用可以影响皮脂腺的发育进程和功能 。3.3 案例分析：人类产前皮肤单细胞图谱研究在皮肤发育研究领域，纽卡斯尔大学等机构的科学家们进行了一项具有开创性的研究，首次创建了人类产前皮肤的单细胞图谱 ，该研究成果发表于《Nature》杂志，为深入理解皮肤发育过程提供了全新的视角 。研究人员旨在全面解析人类皮肤的形成机制以及疾病发生过程中的相关问题。他们深知皮肤发育研究的复杂性，人类与动物模型存在关键差异，使得以往的研究面临诸多挑战 。而此次研究作为人类细胞图谱计划的一部分，通过对人类产前皮肤的深入探究，有望揭示皮肤发育的奥秘 。在研究过程中，研究人员运用了多种先进技术 。他们收集产前皮肤组织样本，将其分解以观察悬浮状态的单个细胞以及组织内细胞 。利用单细胞测序技术，能够对单个细胞的基因表达进行高分辨率分析，获取细胞在分子层面的详细信息 。空间转录组学技术则使研究人员得以了解细胞在组织中的空间位置信息，分析不同细胞类型在皮肤发育过程中的空间分布和相互关系 。通过整合这些技术，研究人员成功绘制出人类产前皮肤的单细胞和空间图谱 。为了进一步验证研究结果，研究人员利用成体干细胞在培养皿中开发出了具有生长毛发能力的皮肤类器官 。通过将皮肤类器官的分子特征与产前皮肤进行细致比较，令人惊喜地发现，皮肤类器官模型比成体皮肤更接近于产前皮肤 。这一发现不仅为皮肤发育研究提供了更具代表性的模型，也为后续利用皮肤类器官深入研究皮肤发育机制奠定了坚实基础 。在对人类产前皮肤单细胞图谱的分析中，研究人员取得了一系列重要发现 。他们详细描述了人类毛囊形成的步骤，并精准识别出了人类与小鼠毛囊形成机制的差异 。这一成果打破了以往对毛囊形成机制的固有认知，为深入理解人类毛囊发育提供了关键线索 。研究人员还发现，血管并不会在皮肤类器官和产前皮肤中自然形成 。然而，当将称为巨噬细胞的免疫细胞加入到类器官中时，巨噬细胞展现出了神奇的作用 —— 能促进血管的形成 。这是首次发现巨噬细胞在人类皮肤早期发育过程中通过支持血管生长扮演重要角色，为改善其他组织类器官的血管化提供了新的思路和选择 。研究人员还深入分析了产前皮肤和成体皮肤细胞类型的差异，揭示了巨噬细胞在产前皮肤无疤痕修复过程中的重要作用 。这一发现具有重要的临床应用前景，或许能够帮助避免机体在术后或损伤后疤痕的出现，为临床治疗提供了新的策略和方向 。人类产前皮肤图谱还被用于识别与先天性毛发和皮肤疾病相关的基因表达情况 。研究人员发现，参与这些疾病的基因往往会在产前皮肤中进行表达，这意味着这些疾病或许起源于母体子宫内 。而本文研究中所开发的皮肤类器官，因其与产前皮肤的高度相似性，为研究这些先天性疾病提供了一种新型、准确的研究模型 。这项研究通过创建人类产前皮肤的单细胞图谱，利用皮肤类器官进行深入分析，揭示了皮肤发育过程中诸多关键机制和细胞间相互作用 。为皮肤发育研究提供了重要的理论基础，也为皮肤疾病的研究和治疗开辟了新的道路 。四、皮肤类器官在皮肤疾病病理研究中的应用4.1 罕见皮肤病研究罕见皮肤病由于发病率低、病例数少，其发病机制往往难以明确，治疗手段也相对有限 。皮肤类器官作为一种新兴的研究工具，为罕见皮肤病的研究提供了新的思路和方法，有助于深入揭示这些疾病的发病机制，为开发有效的治疗策略奠定基础 。以局限性硬皮病为例，这是一种罕见的慢性结缔组织病，局限于皮肤和（或）下层组织，其特征是皮肤增厚、斑块形成、皮肤坚硬、有光泽，累及真皮浅层至筋膜和肌肉 。目前，对于局限性硬皮病的发病机制和治疗策略的了解仍然有限 。2022 年 3 月 22 日，中国医学科学院 / 北京协和医院冷泠，张抒扬及国家应急防控药物工程技术研究中心钟武共同通讯在《Advanced Science》杂志上发表了题为 “Application of an iPSC - Derived Organoid Model for Localized Scleroderma Therapy” 的研究论文 。该研究建立了局限性硬皮病（LOS）皮肤的蛋白质组图谱，并对 LOS 皮肤的病理特征进行了表征 。研究人员通过组织病理学发现，LOS 显示真皮广泛纤维化，真皮胶原束中密集的炎性细胞浸润（CD4、CD8+T 细胞和 F480 + 巨噬细胞等） 。病理性成纤维细胞和肌成纤维细胞的标志物 α 肌动蛋白（αSMA），纤维蛋白 1（FBN1）和波形蛋白（VIM）在硬皮病中显著高表达 。为了深入研究局限性硬皮病的发病机制并寻找有效的治疗方法，研究人员在 LOS 治疗的 3D 培养系统中，建立了人类诱导的多能干细胞来源的上皮和间充质（EM）类器官模型 。单细胞转录组显示该类器官包括上皮、神经内皮、神经元、胶质和神经干 / 祖等 8 种亚细胞类型，并涉及血管生成、ECM 重塑、神经修复和组织再生等多种生长因子和功能成分 。将 EM 类器官应用于硬皮病皮肤后，发现可以显著减轻皮肤纤维化的程度 。特别是，EM 类器官可增强皮肤中表皮干细胞的活性，并促进汗腺和血管的再生 。进一步研究发现，EM 类器官治疗 LOS 皮肤组织是通过旁分泌作用促进皮肤组织的器官再生 。研究者还测试了 EM 类器官移植三个月甚至更长时间并不会导致发生畸胎瘤的风险 。这一研究成果突出了类器官在促进硬皮病相关表型和皮肤相关功能恢复方面的潜在应用，为因 LOS 而导致的毁容和皮肤功能缺陷患者提供了一种新的治疗选择 。通过这个案例可以看出，皮肤类器官能够在体外模拟罕见皮肤病的病理特征，为研究疾病的发病机制提供了一个重要的平台 。研究人员可以利用皮肤类器官进行基因编辑、药物筛选等实验，深入探究疾病相关基因和信号通路的作用，寻找潜在的治疗靶点 。与传统的动物模型相比，皮肤类器官模型更能真实地反映人类疾病的特点，且避免了种属差异带来的局限性 。同时，皮肤类器官模型还可以减少动物实验的使用，符合伦理和动物保护的要求 。4.2 常见皮肤病研究4.2.1 银屑病银屑病是一种常见的慢性炎症性皮肤病，其发病机制涉及遗传、免疫、环境等多种因素 。传统的研究方法在深入探究银屑病的病理机制方面存在一定的局限性，而皮肤类器官为银屑病的研究提供了新的视角和工具 。银屑病的一个重要病理特征是表皮细胞的过度增殖和分化异常 。在皮肤类器官模型中，研究人员可以通过调节相关信号通路，模拟银屑病的表皮细胞异常增殖和分化情况 。有研究表明，在体外培养的皮肤类器官中，加入白细胞介素 - 20（IL - 20）或白细胞介素 - 1β（IL - 1β）等细胞因子，能够诱导正常人皮肤出现银屑病样的免疫病理表型 。在 IL - 20 刺激下，正常人皮肤出现了与银屑病皮损相关的蛋白分子表达，即角蛋白 6、14 从表皮基底层到棘细胞层及颗粒层过度表达 ；在 IL - 1β 刺激下，正常人皮肤表达了一系列银屑病相关的蛋白分子，如角蛋白 16、17 在表皮棘细胞层强阳性，Ⅰ 型转谷酰胺酶从表皮颗粒层到棘细胞层过度表达，ICAM - 1、HLA - DR 以及 β1 整合素在表皮基底细胞层和棘细胞层诱导表达或增强表达 。这些结果表明，皮肤类器官能够在体外重现银屑病的部分病理特征，为研究银屑病的发病机制提供了有效的模型 。通过皮肤类器官模型，研究人员还可以深入研究银屑病发病过程中的免疫调节机制 。银屑病患者的免疫系统存在异常，T 淋巴细胞的异常活化和炎症介质的释放导致了皮肤炎症和损伤 。在皮肤类器官中，研究人员可以引入免疫细胞，观察它们与皮肤细胞之间的相互作用，以及免疫反应的发生和调节过程 。有研究发现，将 T 淋巴细胞与皮肤类器官共培养，能够模拟银屑病患者皮肤中的免疫微环境，观察到 T 淋巴细胞的活化和炎症因子的释放，进一步揭示了银屑病发病过程中的免疫调节机制 。皮肤类器官模型还可用于研究银屑病的遗传因素 。许多研究证实了银屑病具有家族聚集性和遗传倾向，通过对银屑病患者的基因分析，发现了多个与银屑病发病相关的基因 。在皮肤类器官中，利用基因编辑技术，如 CRISPR - Cas9，可以对这些相关基因进行敲除、敲入或突变，研究基因功能的改变对皮肤类器官的影响，从而深入探究银屑病的遗传发病机制 。4.2.2 白癜风白癜风是一种常见的色素脱失性皮肤病，其主要病理特征是皮肤中的黑素细胞受损或消失，导致皮肤出现白斑 。由于白癜风的发病机制复杂，目前仍缺乏有效的治疗方法 。皮肤类器官为研究白癜风的发病机制和治疗方法提供了新的途径 。在皮肤类器官模型中，研究人员可以模拟白癜风患者皮肤中黑素细胞的损伤和缺失情况 。通过对白癜风患者皮肤组织的研究发现，其表皮基底部角朊细胞中黑色素消失，黑色素细胞减少或发育不良 。在构建皮肤类器官时，研究人员可以通过调节相关基因和信号通路，诱导黑素细胞的损伤或缺失，从而模拟白癜风的病理过程 。有研究利用基因编辑技术敲低皮肤类器官中与黑素合成相关的基因表达，观察到黑素细胞的功能受损，黑色素合成减少，皮肤类器官出现色素脱失的现象，类似于白癜风患者皮肤的表现 。皮肤类器官模型还可用于研究白癜风发病过程中的免疫机制 。越来越多的证据表明，免疫异常在白癜风的发病中起着重要作用 。在皮肤类器官中，研究人员可以引入免疫细胞，观察它们对黑素细胞的影响，以及免疫反应的发生和调节过程 。有研究发现，将白癜风患者的 T 淋巴细胞与皮肤类器官共培养，T 淋巴细胞能够攻击黑素细胞，导致黑素细胞损伤和死亡，进一步证实了免疫异常在白癜风发病中的作用 。皮肤类器官模型为研究白癜风的治疗方法提供了一个重要的平台 。研究人员可以在皮肤类器官中测试各种药物和治疗手段的效果，寻找潜在的治疗靶点 。有研究发现，某些药物能够促进皮肤类器官中黑素细胞的增殖和分化，增加黑色素的合成，为白癜风的治疗提供了新的思路 。利用皮肤类器官进行细胞移植治疗的研究也在进行中，有望为白癜风患者提供一种新的治疗方法 。4.3 案例分析：猴痘病毒感染皮肤类器官研究2023 年 10 月 12 日，荷兰伊拉斯姆斯大学医学中心的科研人员在《Nature Microbiology》杂志上发表了题为 “Mpox virus infection and drug treatment modelled in human skin organoids” 的研究论文 ，利用人诱导多能干细胞（hiPSC）来源的皮肤类器官进行猴痘病毒感染研究，取得了重要成果 。猴痘是由猴痘病毒（MPXV）引发的人与动物共患的疾病，过去几十年来主要在非洲中部的一些国家传播。然而，自 2022 年开始，猴痘疫情在非洲以外的地方出现并迅速扩散至超过 100 个国家 。皮肤损伤是猴痘感染者的主要症状，通常出现在面部和四肢 。与猴痘感染者的皮肤损伤进行密切接触是猴痘人际传播的主要途径 。目前，缺乏重现 MPXV 皮肤感染的稳健模型，已有的体外感染模型基于永生化细胞系，不能完全模拟人类皮肤的特性，而动物模型通常不会表现出人类感染后所出现的皮肤症状 。在这项研究中，科研人员构建的 hiPSC 来源的皮肤类器官能够重现人体皮肤的生理特征 。这些 3D 培养的类器官显示出一种多层结构，与活体皮肤相比，皮肤类器官的真皮与外部环境接触，而表皮则朝向类器官的中心 。它们还具有多个皮肤附件，例如毛囊和皮脂腺 。最新研究建立的气 - 液界面培养系统，使皮肤类器官更接近于人类皮肤的生理特性 。研究团队发现，hiPSC 来源的皮肤类器官支持猴痘病毒的有效感染，即该皮肤类器官容易受到 MPXV 感染并支持感染性病毒的产生 。使用透射电子显微镜，该团队可视化了细胞内病毒颗粒组装的四个阶段：病毒颗粒组装、未成熟病毒体、成熟病毒体和具有包膜的病毒体 。转录分析表明，MPXV 感染会重新连接宿主转录组并触发病毒转录本的大量表达 。科研人员还对 FDA 批准的天花治疗药物 Tecovirimat 进行了研究 。结果发现，早期使用该药物治疗可有效抑制传染性病毒的产生并防止宿主转录组重新形成 。延迟使用 Tecovirimat 治疗也会抑制传染性 MPXV 颗粒的产生，尽管程度较小 。这表明该皮肤类器官模型可以作为评价抗猴痘病毒药物的潜在模型 。该研究建立了人类皮肤类器官作为研究猴痘病毒感染、绘制病毒 - 宿主相互作用图谱和测试治疗药物的稳健实验模型 ，为深入了解猴痘病毒感染的病理生理过程以及开发有效的治疗方法提供了重要的工具 。通过皮肤类器官模型，研究人员可以进一步研究猴痘病毒与宿主细胞之间的相互作用机制，筛选和评价更多的抗猴痘病毒药物，为猴痘疫情的防控提供科学依据 。五、皮肤类器官在药物筛选与评价中的应用5.1 药物筛选模型建立构建用于药物筛选的皮肤类器官模型是一个复杂而精细的过程，需要综合考虑细胞来源、培养条件、组织结构等多个因素，以确保模型能够准确模拟人体皮肤的生理和病理状态，为药物筛选提供可靠的平台 。在细胞来源方面，可根据研究目的和需求选择合适的细胞 。如前文所述，胚胎干细胞（ESCs）具有全能性，能够分化为皮肤类器官所需的各种细胞类型，但由于伦理和技术问题，其应用受到一定限制 。诱导多能干细胞（iPSCs）则可以通过重编程成体细胞获得，具有与 ESCs 相似的分化能力，且来源广泛，免疫原性低，更适合用于构建个性化的药物筛选模型 。成体干细胞，如表皮干细胞、毛囊干细胞、真皮干细胞等，也常用于皮肤类器官的构建 。这些细胞在皮肤组织中天然存在，具有较强的自我更新和分化能力，能够在特定条件下分化为相应的皮肤细胞，参与皮肤类器官的形成 。以毛囊干细胞为例，在构建具有毛囊结构的皮肤类器官时，毛囊干细胞可作为关键的细胞来源 。研究表明，毛囊干细胞能够在合适的培养条件下，分化为毛囊的各种细胞，包括内根鞘细胞、外根鞘细胞和毛干细胞等，形成完整的毛囊结构 。这使得构建的皮肤类器官不仅具有表皮和真皮结构，还包含毛囊这一重要的皮肤附属器，更接近真实皮肤的生理结构 。培养条件的优化是构建药物筛选模型的关键环节 。培养基的成分对皮肤类器官的生长和分化起着至关重要的作用 。培养基中除了包含基本的营养成分，如氨基酸、维生素、矿物质、葡萄糖等，还需要添加特定的生长因子和信号通路调节剂 。在培养表皮干细胞时，添加表皮生长因子（EGF）可以促进其增殖和分化为角质形成细胞 ；添加成纤维细胞生长因子（FGF）则有助于真皮细胞的形成 。细胞外基质（ECM）也是培养皮肤类器官不可或缺的组成部分 。ECM 能够为细胞提供物理支撑，调节细胞的黏附、增殖和分化 。常用的 ECM 材料包括胶原、明胶、纤维蛋白、壳聚糖等 。将皮肤细胞接种在胶原基质上，能够促进细胞的黏附和生长，模拟皮肤细胞在体内的微环境 。培养环境的物理参数，如温度、湿度、气体环境等，也需要精确控制 。一般来说，培养温度控制在 37℃左右，湿度保持在 95% 左右，气体环境以 5% CO₂和 95% 空气为主，以维持培养基的 pH 值稳定，为细胞的生长和分化提供适宜的条件 。为了使皮肤类器官模型更符合药物筛选的需求，还需要对其组织结构进行优化 。传统的皮肤类器官模型可能缺乏某些关键的组织结构或细胞类型，影响药物筛选的准确性 。因此，研究人员不断探索改进方法，以构建更完整、更接近真实皮肤的类器官模型 。通过共培养技术，将不同类型的细胞共同培养在同一体系中，促进细胞间的相互作用和信号传导，有助于形成更复杂的组织结构 。将表皮细胞与真皮成纤维细胞共培养，可以促进表皮和真皮的相互诱导，形成更紧密的连接和更完整的皮肤结构 。利用 3D 打印技术，可以精确控制细胞和生物材料的分布，按照预设的结构和形状构建皮肤类器官 。通过 3D 打印技术，可以构建具有特定血管网络的皮肤类器官，模拟皮肤的血液循环系统，为研究药物在皮肤中的代谢和分布提供更真实的模型 。构建用于药物筛选的皮肤类器官模型具有诸多优势 。皮肤类器官模型能够高度模拟人体皮肤的生理和病理特征，包括组织结构、细胞组成、功能特点等 。这使得药物在模型中的作用机制和效果更接近在人体中的真实情况，提高了药物筛选的准确性和可靠性 。皮肤类器官模型可以在体外进行操作，实验条件易于控制，实验周期相对较短，成本较低 。与传统的动物实验相比，皮肤类器官模型可以减少动物的使用，降低实验成本，同时避免了种属差异对实验结果的影响 。皮肤类器官模型还可以进行高通量药物筛选 。通过自动化设备和微流控技术，可以同时对多个药物进行筛选和评价，大大提高了药物研发的效率 。利用微流控芯片技术，可以在微小的芯片上构建多个皮肤类器官模型，同时对多种药物进行测试，快速筛选出具有潜在治疗效果的药物 。皮肤类器官模型还可以用于研究药物的作用机制 。通过对药物作用后的皮肤类器官进行基因表达分析、蛋白质组学分析等，可以深入了解药物对皮肤细胞的影响，揭示药物的作用靶点和信号通路，为药物的优化和改进提供理论依据 。5.2 药物疗效与安全性评价皮肤类器官在药物疗效与安全性评价中具有重要作用，为药物研发和临床应用提供了可靠的依据。在药物疗效评价方面，皮肤类器官能够模拟人体皮肤的生理和病理状态，为研究药物的作用机制和治疗效果提供了理想的模型 。以治疗银屑病的药物为例，利用皮肤类器官模型，可以观察药物对表皮细胞增殖和分化的影响 。银屑病的主要病理特征之一是表皮细胞的过度增殖和分化异常 。在皮肤类器官中，加入白细胞介素 - 20（IL - 20）或白细胞介素 - 1β（IL - 1β）等细胞因子，能够诱导正常人皮肤出现银屑病样的免疫病理表型 。当将治疗银屑病的药物作用于这些模拟银屑病病理状态的皮肤类器官时，可以通过检测表皮细胞的增殖标志物（如 Ki - 67）、分化标志物（如角蛋白 10、角蛋白 16 等）的表达变化，来评估药物对表皮细胞增殖和分化的调节作用 。还可以观察药物对炎症因子表达的影响，如通过检测肿瘤坏死因子 -α（TNF - α）、白细胞介素 - 6（IL - 6）等炎症因子的水平，来评估药物的抗炎效果 。对于治疗白癜风的药物，皮肤类器官模型同样具有重要的应用价值 。白癜风是一种色素脱失性皮肤病，主要是由于黑素细胞受损或缺失导致皮肤出现白斑 。在皮肤类器官中，通过基因编辑等技术，敲低与黑素合成相关的基因表达，可模拟白癜风患者皮肤中黑素细胞的损伤和缺失情况 。将治疗白癜风的药物作用于这些皮肤类器官，通过检测黑素细胞的数量、黑素合成相关酶（如酪氨酸酶）的活性以及黑色素的含量等指标，来评价药物对黑素细胞功能的恢复和黑色素合成的促进作用 。在药物安全性评价方面，皮肤类器官可以用于预测药物的不良反应和毒性 。传统的药物安全性评价主要依赖于动物实验，但动物实验存在种属差异，实验结果外推至人体时存在一定的局限性 。皮肤类器官来源于人体细胞，能够更真实地反映人体皮肤对药物的反应 。通过将药物作用于皮肤类器官，观察药物对细胞活力、细胞凋亡、炎症反应等方面的影响，可以评估药物的潜在毒性和不良反应 。某些药物可能会导致皮肤细胞的凋亡增加，通过检测皮肤类器官中细胞凋亡相关蛋白（如 caspase - 3、Bax 等）的表达变化，以及细胞凋亡率的测定，可以判断药物是否具有细胞毒性 。药物还可能引发炎症反应，通过检测炎症因子的释放和炎症相关信号通路的激活情况，可以评估药物的炎症毒性 。皮肤类器官还可以用于研究药物的透皮吸收和代谢情况 。药物的透皮吸收是影响其疗效的重要因素之一 。利用皮肤类器官模型，可以研究药物在皮肤中的渗透速率、分布情况以及代谢途径 。通过将药物施加于皮肤类器官的表面，采用荧光标记或放射性标记等技术，追踪药物在皮肤类器官中的运输和代谢过程，了解药物的透皮吸收机制，为优化药物剂型和给药方式提供依据 。研究药物在皮肤类器官中的代谢情况，还可以预测药物在人体内的代谢产物和代谢途径，评估药物代谢产物的毒性和安全性 。5.3 案例分析：抗猴痘病毒药物评价2023 年 10 月 12 日，荷兰伊拉斯姆斯大学医学中心的科研人员在《Nature Microbiology》杂志发表了关于猴痘病毒感染皮肤类器官及药物治疗研究的论文，为抗猴痘病毒药物的评价提供了重要参考 。猴痘是一种由猴痘病毒（MPXV）引发的人畜共患疾病，以往主要在非洲中部国家传播，自 2022 年起，疫情在非洲以外地区迅速扩散 。皮肤损伤是猴痘感染者的主要症状，也是人际传播的主要途径 。当前，缺乏能够真实重现 MPXV 皮肤感染的有效模型，已有的体外感染模型基于永生化细胞系，难以模拟人类皮肤特性，动物模型也无法展现人类感染后的皮肤症状 。在此背景下，科研人员构建了人诱导多能干细胞（hiPSC）来源的皮肤类器官，其具有多层结构，包含毛囊和皮脂腺等皮肤附件，且最新建立的气 - 液界面培养系统使其更接近人类皮肤生理特性 。研究团队将猴痘病毒感染该皮肤类器官，发现角质形成细胞作为皮肤上皮的主要细胞类型，可有效支持 MPXV 感染 。通过透射电子显微镜，清晰观察到细胞内病毒颗粒组装的四个阶段：新月形病毒颗粒形成、未成熟病毒颗粒、成熟病毒颗粒和包裹病毒颗粒 。转录分析表明，MPXV 感染会重构宿主转录组，并引发大量病毒转录本表达 。在药物评价方面，科研人员对 FDA 批准的天花治疗药物 Tecovirimat（特考韦瑞）进行了研究 。实验结果显示，早期使用 Tecovirimat 治疗，可有效抑制传染性病毒的产生，并防止宿主转录组重配 。即便延迟使用，Tecovirimat 治疗也能抑制传染性 MPXV 颗粒的产生，尽管抑制程度相对较小 。这一研究充分展示了皮肤类器官模型在评价抗猴痘病毒药物方面的潜力 。该研究意义重大，成功建立了人类皮肤类器官作为研究 MPXV 感染、绘制病毒 - 宿主相互作用图谱和测试治疗方法的可靠实验模型 。这不仅有助于深入了解猴痘病毒感染的病理生理过程，还为筛选和评价更多抗猴痘病毒药物提供了有力工具，为猴痘疫情的防控提供了关键的科学依据 。从药物研发角度来看，该模型可用于评估不同药物对猴痘病毒感染的抑制效果，确定药物的最佳使用时机和剂量，为开发更有效的抗猴痘病毒药物奠定基础 。六、皮肤类器官在皮肤再生与修复中的临床应用6.1 烧伤、创伤修复烧伤和创伤是常见的皮肤损伤类型，严重影响患者的身体健康和生活质量 。传统的治疗方法如自体皮肤移植，存在供皮区有限、供皮区损伤等问题；而异体皮肤移植则面临免疫排斥等风险 。皮肤类器官作为一种新兴的治疗手段，为烧伤、创伤修复提供了新的思路和方法 。在烧伤治疗方面，皮肤类器官可以通过多种方式促进创面愈合 。2024 年 2 月，韩国生物科学与生物技术研究所的研究人员建立了从诱导多能干细胞（iPSCs）分化出释放功能性 EVs 的表皮器官结构（EpiOs） 。这些 iPSC 源的表皮器官结构（iEpiOs）由基底表皮细胞层和包括棘层、颗粒层和角质层在内的分化表皮细胞层组成，与体内表皮形态非常相似 。研究发现，三维培养的 iEpiOs 能够产生功能性 EVs，其中包含具有增强再生能力和有助于未来治疗发展的生物分子 。这些 EVs 促进了靶细胞的增殖、迁移和血管生成，为体内伤口愈合提供了一种有希望的治疗工具 。中国医学科学院北京协和医院冷泠教授团队利用人诱导多能干细胞培养出具有表皮及毛囊附属器、真皮及脂肪和神经系统的全层皮肤类器官 。将其应用于二级冻伤治疗，发现移植皮肤类器官可以显著加速冻伤皮肤的伤口愈合 。病理分析显示，炎症和血管损伤明显改善，皮肤类器官移植促进了受冻伤影响的皮肤组织中胶原蛋白表达的快速恢复 。与未接受治疗的皮肤组织相比，接受皮肤类器官移植 1 天的皮肤组织中包括单核细胞、巨噬细胞和朗格罕斯细胞在内的免疫细胞比例有所降低，表明类器官治疗可以调节由于损伤组织中炎症细胞的反复激活而引起的过度炎症反应，从而抑制冻伤瘢痕的形成 。从作用机制来看，皮肤类器官移植后，其携带的干细胞可以分化为各种皮肤细胞，补充受损皮肤组织中的细胞成分 。这些干细胞还能分泌多种生长因子和细胞因子，如表皮生长因子（EGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）、血管内皮生长因子（VEGF）等 。EGF 可以促进表皮细胞的增殖和分化，加速创面的上皮化；FGF 能够刺激成纤维细胞的增殖和胶原蛋白的合成，有助于创面的修复和重建；VEGF 则可以促进血管生成，为创面愈合提供充足的血液供应 。皮肤类器官还可以调节局部免疫微环境，减轻炎症反应，促进创面愈合 。与传统治疗方法相比，皮肤类器官具有诸多优势 。皮肤类器官可以根据患者自身的细胞构建，实现个性化治疗，降低免疫排斥的风险 。皮肤类器官能够模拟天然皮肤的结构和功能，为创面修复提供更接近生理状态的微环境，有利于细胞的增殖、分化和组织修复 。利用皮肤类器官进行治疗，还可以减少对供皮区的损伤，避免供皮区的并发症 。皮肤类器官技术仍面临一些挑战，如构建成本较高、培养周期较长、规模化生产难度较大等 。随着技术的不断发展和完善，皮肤类器官有望成为烧伤、创伤修复的重要治疗手段 。6.2 瘢痕修复瘢痕是皮肤损伤后愈合过程中形成的异常组织，不仅影响皮肤的美观，还可能导致功能障碍 。传统的瘢痕治疗方法，如手术切除、激光治疗、药物治疗等，虽然在一定程度上能够改善瘢痕的外观和功能，但往往存在局限性，难以实现瘢痕的完全修复 。皮肤类器官在瘢痕修复领域展现出了独特的优势，为瘢痕治疗提供了新的策略和方法 。皮肤类器官能够通过多种机制促进瘢痕的修复和改善 。皮肤类器官中包含的干细胞可以分化为各种皮肤细胞，补充瘢痕组织中缺失或受损的细胞成分 。这些干细胞还能分泌多种生长因子和细胞因子，如表皮生长因子（EGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）、转化生长因子 -β（TGF-β）等 。EGF 和 FGF 可以促进表皮细胞的增殖和迁移，加速创面的上皮化；TGF-β 则可以调节成纤维细胞的活性，促进胶原蛋白的合成和沉积，有助于瘢痕组织的修复和重塑 。皮肤类器官还可以调节局部免疫微环境，减轻炎症反应，抑制瘢痕的形成 。在瘢痕形成过程中，炎症反应起着重要作用，过度的炎症反应会导致瘢痕组织的增生和挛缩 。皮肤类器官可以分泌抗炎因子，如白细胞介素 - 10（IL - 10）等，抑制炎症细胞的活化和炎症因子的释放，从而减轻炎症反应，减少瘢痕的形成 。中国医学科学院北京协和医院冷泠教授团队在皮肤类器官用于瘢痕修复的研究中取得了重要成果 。他们利用人诱导多能干细胞培养出具有表皮及毛囊附属器、真皮及脂肪和神经系统的全层皮肤类器官 。将其应用于冻伤瘢痕的治疗，发现移植皮肤类器官可以显著加速冻伤皮肤的伤口愈合，抑制冻伤瘢痕的形成 。病理分析显示，炎症和血管损伤明显改善，皮肤类器官移植促进了受冻伤影响的皮肤组织中胶原蛋白表达的快速恢复 。与未接受治疗的皮肤组织相比，接受皮肤类器官移植 1 天的皮肤组织中包括单核细胞、巨噬细胞和朗格罕斯细胞在内的免疫细胞比例有所降低，表明类器官治疗可以调节由于损伤组织中炎症细胞的反复激活而引起的过度炎症反应，从而抑制冻伤瘢痕的形成 。从临床应用前景来看，皮肤类器官在瘢痕修复方面具有广阔的应用空间 。对于大面积烧伤、创伤等导致的瘢痕，皮肤类器官可以作为一种有效的修复材料，促进瘢痕组织的修复和再生，改善皮肤的外观和功能 。皮肤类器官还可以用于治疗一些病理性瘢痕，如增生性瘢痕和瘢痕疙瘩 。通过调节瘢痕组织的微环境，促进瘢痕组织的重塑和软化，减轻瘢痕的症状 。皮肤类器官还可以与其他治疗方法，如激光治疗、药物治疗等相结合，提高瘢痕治疗的效果 。将皮肤类器官移植与激光治疗相结合，可以先通过激光治疗改善瘢痕的表面形态，再利用皮肤类器官促进瘢痕组织的深层修复，从而实现更好的治疗效果 。尽管皮肤类器官在瘢痕修复方面具有巨大的潜力，但目前仍面临一些挑战 。皮肤类器官的构建技术还不够成熟，培养周期较长，成本较高，限制了其大规模的临床应用 。皮肤类器官与宿主组织的整合和血管化问题也有待解决，如何确保皮肤类器官能够在体内稳定存活并发挥功能，是需要进一步研究的关键问题 。皮肤类器官在瘢痕修复中的长期安全性和有效性也需要更多的临床研究来验证 。随着技术的不断进步和研究的深入开展，相信这些问题将逐步得到解决，皮肤类器官有望成为瘢痕修复的重要治疗手段 。6.3 案例分析：冻伤无瘢痕愈合研究北京协和医院临床医学研究所冷泠教授带领团队在皮肤类器官用于冻伤无瘢痕愈合的研究中取得了突破性进展，相关研究成果发表于中科院一区杂志《蛋白质与细胞》(Protein & Cell，IF:21.1) 。冻伤是寒冷季节、从事低温下作业人员的常见急症，目前常用的治疗办法仍以传统的涂抹药膏为主。与普通的皮肤损伤相比，冻伤造成的损伤更加复杂、更难愈合，久不愈合不仅会导致瘢痕形成，严重的皮肤冻伤患者需要截肢，甚至继发恶性肿瘤 。在过去的二十年里，干细胞疗法虽在促进伤口快速愈合和表皮再生方面引起了研究者的广泛关注，但仍无法做到无瘢痕伤口愈合 。为了研究冻伤愈合的机制，研究团队首先构建了冻伤小鼠模型，建立了小鼠皮肤全层冻伤过程的单细胞转录组图谱，结合病理学分析发现了导致冻伤难愈合和病理性瘢痕的机制 。在冻伤起始阶段，单核细胞和巨噬细胞占主导地位，并在促进免疫反应和后期瘢痕形成发挥了重要作用 。在冻伤后损伤峰值期，冻伤干扰了基底干细胞分化的过程，减少了分化轨迹开始时的黑素细胞数量，导致基底和内根鞘细胞不规则分化为棘层细胞 。在冻伤后期，五种类型的成纤维细胞的比例显著增加，并发现导致冻伤后期异常 ECM 分泌和病理性瘢痕形成的主要成纤维细胞类型 。接下来，研究团队利用人诱导多能干细胞培养出具有表皮及毛囊附属器、真皮及脂肪和神经系统的全层皮肤类器官，对二级冻伤进行针对性治疗 。研究发现，移植皮肤类器官可以显著加速冻伤皮肤的伤口愈合 。病理分析显示，炎症和血管损伤明显改善，皮肤类器官移植促进了受冻伤影响的皮肤组织中胶原蛋白表达的快速恢复 。研究者还发现，与未接受治疗的皮肤组织相比，接受皮肤类器官移植 1 天的皮肤组织中包括单核细胞、巨噬细胞和朗格罕斯细胞在内的免疫细胞比例有所降低，表明类器官治疗可以调节由于损伤组织中炎症细胞的反复激活而引起的过度炎症反应，从而抑制冻伤瘢痕的形成 。从作用机制来看，皮肤类器官移植能够通过纠正冻伤期间基底干祖细胞和毛囊细胞的异常发育轨迹来促进冻伤的再表皮化过程 。在皮肤愈合后期，皮肤类器官通过调节整合素 α5β1-FAK 通路，减少了成纤维细胞向肌成纤维细胞的转化，重塑了细胞外基质，尤其改善了冻伤后期导致病理性 ECM 分泌的成纤维细胞的功能，有效减少了异常瘢痕的形成 。该研究强调了皮肤类器官在冻伤期间的细胞命运调控、ECM 重塑和皮肤功能恢复方面的重要作用，展现了类器官在促进冻伤损伤愈合和无瘢痕修复的巨大潜力，为冻伤导致的皮肤损伤患者提供了全新的治疗选择 。随着全球气候变化，许多地方经历了前所未有的寒冷冬季，生活在寒冷地区的人们冻伤发病率正在上升，此研究成果具有重要的临床意义和应用价值 。七、皮肤类器官临床应用的挑战与限制7.1 技术难题尽管皮肤类器官在皮肤研究和临床应用中展现出巨大的潜力，但目前仍面临诸多技术难题，这些问题限制了其大规模的临床应用和进一步发展。生长周期较长是皮肤类器官面临的主要技术挑战之一 。构建完整且功能成熟的皮肤类器官往往需要较长的时间 。以包含毛囊结构的皮肤类器官为例，从干细胞诱导分化开始，到形成具有完整毛囊结构且能正常生长毛发的类器官，通常需要数月的时间 。这不仅增加了研究和治疗的时间成本，也限制了其在一些急性皮肤损伤治疗中的应用 。如在大面积烧伤的治疗中，患者需要尽快得到有效的皮肤修复，而长时间的类器官培养难以满足这一紧急需求 。皮肤类器官的一致性也是一个亟待解决的问题 。由于细胞来源、培养条件等因素的差异，不同批次构建的皮肤类器官在结构和功能上可能存在较大的差异 。即使是同一批次的皮肤类器官，也可能因为培养过程中的细微变化而导致个体之间的不一致 。这种不一致性会影响实验结果的可靠性和重复性，使得药物筛选和疾病模型研究的结果难以准确评估 。在药物筛选实验中，如果使用的皮肤类器官一致性差，可能会导致对药物疗效和安全性的误判 。血管化问题是皮肤类器官构建中的另一个关键难题 。天然皮肤拥有丰富的血管网络，为皮肤细胞提供充足的氧气和营养物质，并带走代谢废物 。然而，目前构建的皮肤类器官往往缺乏有效的血管化结构 。这使得皮肤类器官在长期培养和移植后，难以获得足够的营养供应，影响其存活和功能的发挥 。尽管研究人员尝试通过多种方法促进皮肤类器官的血管化，如添加血管内皮生长因子（VEGF）、与内皮细胞共培养等，但这些方法仍存在一定的局限性，尚未实现完全有效的血管化 。皮肤类器官的免疫兼容性也是一个重要问题 。在临床应用中，皮肤类器官需要与宿主的免疫系统相互兼容，以避免免疫排斥反应 。虽然利用患者自身的诱导多能干细胞（iPSCs）构建皮肤类器官可以降低免疫排斥的风险，但在实际操作中，iPSCs 的重编程过程可能会引入基因突变，影响细胞的免疫原性 。皮肤类器官在移植过程中，还可能受到宿主免疫系统的攻击，导致移植失败 。如何提高皮肤类器官的免疫兼容性，是实现其临床应用的关键之一 。皮肤类器官的规模化生产技术还不够成熟 。目前，皮肤类器官的构建大多在实验室规模进行，难以满足临床大规模应用的需求 。规模化生产需要解决细胞培养的自动化、标准化，以及类器官的质量控制等一系列问题 。开发高效、低成本的规模化生产技术，是推动皮肤类器官临床应用的重要前提 。7.2 伦理与安全性问题皮肤类器官的研究和临床应用在带来诸多希望的同时，也引发了一系列伦理和安全性问题的讨论，这些问题需要我们高度关注并妥善解决，以确保技术的健康发展和合理应用 。在伦理方面，皮肤类器官的构建涉及到细胞来源，尤其是胚胎干细胞和诱导多能干细胞的使用 。胚胎干细胞来源于早期胚胎，其获取过程可能引发对胚胎道德地位的争议 。从伦理角度看，胚胎被视为具有潜在生命价值的个体，使用胚胎干细胞进行研究和治疗可能被认为是对胚胎生命的不尊重 。尽管诱导多能干细胞避免了胚胎获取的伦理争议，但其重编程过程可能存在潜在的伦理风险 。重编程过程中使用的病毒载体可能会整合到宿主基因组中，导致基因突变，从而引发对细胞安全性和潜在风险的担忧 。这种潜在的风险可能会影响到患者的健康和安全，也可能引发社会对技术应用的担忧 。皮肤类器官的应用也带来了隐私保护和知情同意的问题 。在临床应用中，皮肤类器官的构建通常需要获取患者的细胞样本，这些样本包含了患者的个人遗传信息 。如何确保这些遗传信息的安全和隐私，是一个亟待解决的问题 。如果遗传信息泄露，可能会对患者造成不必要的困扰和伤害，如就业歧视、保险歧视等 。在获取患者细胞样本时，必须确保患者充分了解研究和治疗的目的、方法、风险和收益，并且自愿签署知情同意书 。然而，在实际操作中，由于患者对医学知识的了解有限，以及知情同意过程的复杂性，可能会导致患者在不完全理解的情况下签署同意书，这就需要进一步加强对患者的教育和沟通，确保知情同意的真实性和有效性 。在安全性方面，皮肤类器官的稳定性和长期效果是需要关注的重点 。目前，皮肤类器官的培养技术还不够成熟，其稳定性和长期效果存在一定的不确定性 。在长期培养过程中，皮肤类器官可能会出现细胞老化、基因突变等问题，这些问题可能会影响其功能和安全性 。细胞老化可能导致皮肤类器官的再生能力下降，无法满足临床治疗的需求；基因突变则可能引发肿瘤等疾病，对患者的健康造成严重威胁 。皮肤类器官在移植后的长期效果也需要进一步研究 。虽然目前的研究表明皮肤类器官在移植后能够促进伤口愈合和组织修复，但长期来看，其是否会引发免疫反应、感染等并发症，以及对患者身体的长期影响如何，都需要更多的临床研究来验证 。皮肤类器官的免疫兼容性也是一个重要的安全问题 。在临床应用中，皮肤类器官需要与宿主的免疫系统相互兼容，以避免免疫排斥反应 。尽管利用患者自身的细胞构建皮肤类器官可以降低免疫排斥的风险，但在实际操作中，由于细胞培养和处理过程的复杂性，仍然可能导致免疫原性的改变，引发免疫排斥反应 。免疫排斥反应不仅会影响皮肤类器官的存活和功能，还可能对患者的身体造成其他损害，如炎症反应、组织损伤等 。因此，如何提高皮肤类器官的免疫兼容性，是确保其临床应用安全的关键之一 。7.3 临床转化障碍皮肤类器官从实验室研究迈向临床应用，面临着诸多转化障碍，这些问题阻碍了其在临床治疗中的广泛应用和推广。从技术层面来看，皮肤类器官的构建和培养技术仍有待进一步完善 。目前，皮肤类器官的构建过程复杂，需要精确控制多种因素，如细胞来源、培养条件、诱导分化因子等 。不同实验室的构建方法和条件存在差异，导致皮肤类器官的质量和性能难以标准化 。这使得在临床应用中，难以确保皮肤类器官的一致性和可靠性 。皮肤类器官的培养时间较长，成本较高，这也限制了其大规模生产和临床应用 。在临床治疗中，患者往往需要及时得到治疗，而较长的培养时间无法满足这一需求 。高昂的成本也使得许多患者难以承受，从而阻碍了皮肤类器官的临床转化 。皮肤类器官与宿主的整合和功能发挥也是临床转化面临的重要问题 。在移植过程中，皮肤类器官需要与宿主的组织和器官实现良好的整合，才能发挥其正常的功能 。目前，皮肤类器官与宿主组织的整合机制尚不完全清楚，如何促进皮肤类器官与宿主组织的血管化、神经化和免疫兼容，仍然是一个亟待解决的问题 。皮肤类器官在体内的长期稳定性和功能维持也需要进一步研究 。在长期的体内环境中，皮肤类器官可能会受到各种因素的影响，如免疫反应、代谢变化等，导致其功能逐渐下降或丧失 。因此，需要深入研究皮肤类器官在体内的生物学行为，寻找有效的方法来维持其长期稳定性和功能 。监管和审批政策也是影响皮肤类器官临床转化的关键因素 。由于皮肤类器官是一种新兴的治疗手段，目前相关的监管和审批政策还不够完善 。在临床应用前，皮肤类器官需要经过严格的安全性和有效性评估，但现有的评估标准和方法并不完全适用于皮肤类器官 。如何建立科学合理的监管和审批体系，确保皮肤类器官的安全性和有效性，同时又能促进其创新和发展，是当前亟待解决的问题 。皮肤类器官的知识产权保护也需要加强，以鼓励科研人员和企业投入更多的资源进行研究和开发 。临床医生和患者对皮肤类器官的认知和接受程度也会影响其临床转化 。皮肤类器官作为一种新型的治疗技术，对于许多临床医生来说还比较陌生，他们可能缺乏相关的知识和经验，对其安全性和有效性存在疑虑 。患者对皮肤类器官的了解也相对较少，可能对这种新型治疗方法存在恐惧和不信任 。因此，需要加强对临床医生和患者的宣传和教育，提高他们对皮肤类器官的认知和接受程度 。通过开展临床试验、学术交流和科普宣传等活动，让临床医生和患者更好地了解皮肤类器官的原理、优势和应用前景，增强他们对这种治疗方法的信心 。八、皮肤类器官研究的未来发展趋势8.1 技术创新与优化随着科技的不断进步，微流控技术和 3D 生物打印技术等新兴技术在皮肤类器官研究中的应用日益受到关注，它们为皮肤类器官的构建和发展带来了新的机遇和挑战，有望实现皮肤类器官技术的创新与优化。微流控技术是一种在微观尺度上精确控制和操纵流体的技术，它能够为皮肤类器官的培养提供更加精确和可控的微环境 。通过微流控芯片，研究人员可以精确控制细胞培养液的流速、成分和浓度，模拟体内的生理流体环境，为皮肤细胞的生长和分化提供更接近体内真实情况的条件 。微流控技术还可以实现多种细胞的共培养，促进细胞间的相互作用和信号传导，有助于构建更复杂、更接近真实皮肤的类器官模型 。利用微流控技术，将表皮细胞、真皮成纤维细胞和免疫细胞等多种细胞共培养在同一芯片中，能够更好地模拟皮肤的免疫微环境，研究皮肤疾病的发病机制和免疫调节过程 。微流控技术还可以用于高通量药物筛选 。在微流控芯片上，可以同时构建多个皮肤类器官模型，对多种药物进行快速筛选和评价，大大提高了药物研发的效率 。通过微流控芯片，能够在微小的空间内实现药物的精确投递和细胞反应的实时监测，为药物筛选提供了更加高效和灵敏的方法 。3D 生物打印技术则能够根据预设的结构和成分，定制化构建皮肤类器官，实现对皮肤组织结构和功能的更精准模拟 。该技术可以将细胞、生物材料和生长因子等按照特定的三维结构逐层打印，形成具有特定形状和功能的皮肤类器官 。通过 3D 生物打印技术，可以构建具有复杂血管网络的皮肤类器官，解决皮肤类器官的血管化问题，提高其在体内的存活和功能 。将内皮细胞与皮肤干细胞混合，利用 3D 生物打印技术构建含有血管网络的皮肤类器官，能够为皮肤类器官提供充足的氧气和营养物质，促进其生长和发育 。3D 生物打印技术还可以实现个性化的皮肤类器官构建 。根据患者的具体需求和病情，利用 3D 生物打印技术可以定制化构建适合患者的皮肤类器官，用于皮肤修复和再生治疗，提高治疗效果和患者的生活质量 。单细胞测序技术和空间转录组学等技术也将在皮肤类器官研究中发挥重要作用 。单细胞测序技术能够对单个细胞的基因表达进行高分辨率分析，揭示皮肤类器官中不同细胞类型的基因表达谱和细胞间的差异 。通过单细胞测序技术，研究人员可以深入了解皮肤类器官中各种细胞的分化状态、功能特点以及细胞间的相互作用，为皮肤类器官的构建和优化提供更精准的指导 。空间转录组学技术则可以分析细胞在组织中的空间位置信息，揭示基因表达在空间上的分布规律 。将空间转录组学技术应用于皮肤类器官研究，能够更好地理解皮肤发育和疾病发生过程中细胞的空间组织和相互作用，为皮肤类器官的研究提供更全面的视角 。人工智能和机器学习技术的发展也为皮肤类器官研究带来了新的思路和方法 。这些技术可以对大量的实验数据进行分析和处理，挖掘数据背后的规律和信息，为皮肤类器官的构建、优化和应用提供决策支持 。利用人工智能算法，可以预测不同培养条件下皮肤类器官的生长和分化情况，优化培养方案，提高皮肤类器官的质量和一致性 。机器学习技术还可以用于药物筛选和疾病诊断，通过对大量药物和疾病数据的学习，建立预测模型，提高药物筛选的准确性和疾病诊断的效率 。8.2 多学科交叉融合皮肤类器官的研究正逐渐成为多学科交叉融合的前沿领域，与材料学、计算机科学等学科的深度融合，为其发展带来了新的机遇和突破，推动了皮肤类器官在构建技术、功能模拟和临床应用等方面的创新。在与材料学的交叉融合方面，新型生物材料的开发为皮肤类器官的构建提供了更优化的微环境 。材料学的不断发展，使得各种具有独特性能的生物材料应运而生 。水凝胶作为一种常见的生物材料，具有良好的生物相容性、亲水性和可调控的物理化学性质，能够为皮肤细胞的生长和分化提供理想的支撑环境 。通过对水凝胶的成分和结构进行设计和优化，可以实现对细胞行为的精确调控 。在水凝胶中引入特定的生长因子或信号分子，能够促进皮肤干细胞的增殖和分化，增强皮肤类器官的功能 。3D 打印材料的创新也为皮肤类器官的构建带来了新的可能性 。3D 打印技术可以根据预设的结构和形状，将生物材料逐层打印，构建出具有复杂结构的皮肤类器官 。新型的 3D 打印材料，如具有生物活性的陶瓷材料、可降解的聚合物材料等，不仅能够提供良好的机械支撑，还能模拟天然皮肤的生物活性和功能，促进皮肤类器官与宿主组织的整合 。计算机科学在皮肤类器官研究中的应用也日益广泛，为皮肤类器官的研究提供了强大的数据分析和模拟工具 。人工智能和机器学习技术可以对皮肤类器官的实验数据进行深入分析，挖掘数据背后的规律和信息 。通过对大量的皮肤类器官图像数据进行分析，机器学习算法可以实现对皮肤类器官结构和功能的自动识别和评估，提高研究的效率和准确性 。利用人工智能算法，可以预测皮肤类器官在不同培养条件下的生长和分化情况，优化培养方案，提高皮肤类器官的质量和一致性 。计算机模拟技术则可以构建皮肤类器官的虚拟模型，模拟其在体内的生理和病理过程 。通过计算机模拟，可以研究皮肤类器官对药物的反应、与免疫细胞的相互作用等，为皮肤类器官的研究和应用提供理论指导 。利用计算机模拟技术，可以预测药物在皮肤类器官中的扩散和代谢过程，优化药物的设计和给药方案 。皮肤类器官与纳米技术的结合也展现出了巨大的潜力 。纳米技术可以制备出具有特殊性能的纳米材料，如纳米颗粒、纳米纤维等，这些材料可以用于皮肤类器官的构建和修饰 。纳米颗粒可以作为药物载体，将药物精准地输送到皮肤类器官中的靶细胞，提高药物的疗效 。纳米纤维则可以模拟细胞外基质的结构和功能，促进皮肤细胞的黏附和生长 。将纳米纤维与水凝胶结合，构建出具有纳米结构的复合生物材料，能够为皮肤类器官提供更接近天然皮肤的微环境 。生物力学与皮肤类器官的交叉研究也为理解皮肤的生理和病理过程提供了新的视角 。皮肤在日常生活中会受到各种力学刺激，如拉伸、挤压、摩擦等，这些力学刺激对皮肤的结构和功能有着重要的影响 。通过研究皮肤类器官在力学刺激下的反应，能够深入了解皮肤的力学特性和生物学行为 。利用生物力学实验技术，如原子力显微镜、拉伸试验机等，可以对皮肤类器官进行力学测试，分析其力学性能的变化 。研究发现，适当的力学刺激可以促进皮肤细胞的增殖和分化，增强皮肤类器官的功能；而过度的力学刺激则可能导致皮肤细胞的损伤和凋亡，影响皮肤类器官的正常发育 。生物力学研究还可以为皮肤类器官的构建和应用提供指导 。在构建皮肤类器官时，考虑力学因素，选择合适的生物材料和培养方式，能够提高皮肤类器官的力学性能和稳定性 。在皮肤类器官的移植过程中，研究力学因素对移植效果的影响，有助于优化移植技术，提高皮肤类器官与宿主组织的整合效率 。8.3 临床应用拓展随着皮肤类器官技术的不断成熟和完善，其在临床应用领域展现出了广阔的拓展前景，有望在个性化医疗、美容等领域发挥重要作用，为患者带来更多的治疗选择和更好的生活质量。在个性化医疗方面，皮肤类器官将成为实现精准治疗的关键工具 。利用患者自身的诱导多能干细胞（iPSCs）或成体干细胞构建皮肤类器官，能够为每个患者量身定制个性化的治疗方案 。对于患有遗传性皮肤病的患者，如遗传性大疱性表皮松解症、鱼鳞病等，通过对患者皮肤类器官进行基因编辑，修复致病基因，再将修复后的皮肤类器官移植回患者体内，有望实现疾病的根治 。皮肤类器官还可以用于预测患者对药物的反应，指导临床用药 。不同患者对同一药物的疗效和不良反应可能存在差异，通过将药物作用于患者的皮肤类器官，观察其反应，可以为临床医生提供更准确的用药指导，提高治疗效果，减少药物不良反应的发生 。在美容领域，皮肤类器官也具有巨大的应用潜力 。随着人们对皮肤健康和美容的关注度不断提高，对美容产品的安全性和有效性提出了更高的要求 。皮肤类器官可以用于美容产品的研发和测试，为美容行业提供更可靠的实验模型 。利用皮肤类器官测试美白产品的美白效果、抗皱产品的抗皱效果以及保湿产品的保湿效果等，能够更准确地评估美容产品的功效 。皮肤类器官还可以用于研究美容产品对皮肤的安全性，检测产品是否会引起过敏反应、细胞毒性等不良反应，为消费者提供更安全的美容产品 。皮肤类器官还可以用于皮肤美容治疗 。例如，通过培养患者自身的皮肤类器官，进行自体皮肤移植，用于修复面部皱纹、疤痕等皮肤问题，实现自然、持久的美容效果 。皮肤类器官在皮肤再生医学领域的应用也将不断拓展 。除了烧伤、创伤和瘢痕修复外，皮肤类器官还可以用于治疗其他皮肤疾病，如慢性皮肤溃疡、皮肤癌术后缺损等 。对于慢性皮肤溃疡患者，由于溃疡部位长期不愈合，传统治疗方法效果不佳 。将皮肤类器官移植到溃疡部位，能够促进溃疡的愈合，提高患者的生活质量 。在皮肤癌术后缺损的修复中，皮肤类器官可以作为一种理想的修复材料，重建皮肤的结构和功能，减少术后并发症的发生 。皮肤类器官与再生医学、基因治疗等领域的交叉融合也将为临床治疗带来新的突破 。例如，将基因治疗技术与皮肤类器官相结合，通过将治疗基因导入皮肤类器官中，使其表达治疗性蛋白质，再将皮肤类器官移植回患者体内，实现对疾病的治疗 。这种联合治疗方法有望为一些难治性皮肤疾病，如白癜风、银屑病等，提供新的治疗策略 。皮肤类器官还可以与组织工程技术相结合，构建更加复杂的皮肤替代物，进一步提高皮肤修复和再生的效果 。利用 3D 打印技术，将皮肤类器官与生物材料相结合，构建具有血管、神经等结构的全层皮肤替代物，为皮肤损伤的修复提供更理想的解决方案 。九、结论9.1 研究总结本研究全面而深入地探讨了皮肤类器官在研究进展和临床应用方面的相关内容。皮肤类器官作为一种新兴的研究工具和治疗手段，在皮肤科学领域展现出了巨大的潜力和应用价值 。在研究进展方面，皮肤类器官的构建技术不断创新和完善 。从细胞来源来看，胚胎干细胞、诱导多能干细胞以及成体干细胞等都为皮肤类器官的构建提供了多样化的选择 。培养方法也日益多样化，包括三维培养、气 - 液界面培养等，能够更好地模拟体内微环境，促进皮肤类器官的生长和发育 。微流控技术、3D 生物打印技术等新兴技术的应用，进一步推动了皮肤类器官的发展，使其能够更精准地模拟天然皮肤的结构和功能 。皮肤类器官在皮肤发育研究中发挥了重要作用 。通过模拟皮肤发育过程，研究人员能够深入探究毛囊、皮脂腺等附属器的发育机制，为理解皮肤的正常发育提供了重要的理论基础 。在皮肤疾病病理研究方面，皮肤类器官为罕见皮肤病和常见皮肤病的研究提供了新的视角和方法 。通过构建疾病模型，研究人员可以深入研究疾病的发病机制，为开发新的治疗方法提供理论依据 。在临床应用方面，皮肤类器官在药物筛选与评价中具有重要价值 。能够建立高效的药物筛选模型，准确评价药物的疗效与安全性，为新药研发提供了可靠的平台 。在皮肤再生与修复领域，皮肤类器官已在烧伤、创伤修复以及瘢痕修复等方面取得了一定的成果 。临床案例表明，皮肤类器官能够促进伤口愈合，改善瘢痕症状，为患者带来了新的治疗希望 。皮肤类器官的研究和应用仍面临诸多挑战和限制 。技术上，生长周期较长、一致性难以保证、血管化问题以及免疫兼容性等难题亟待解决 。伦理与安全性方面，涉及细胞来源的伦理争议、隐私保护和知情同意问题，以及皮肤类器官的稳定性和长期效果等都需要进一步研究和关注 。临床转化方面，技术不完善、与宿主的整合和功能发挥问题、监管和审批政策不健全以及临床医生和患者的认知和接受程度低等障碍，限制了皮肤类器官的临床应用 。9.2 研究展望未来，皮肤类器官的研究有望在多个方向取得突破 。在技术创新方面，随着微流控技术、3D 生物打印技术、单细胞测序技术、空间转录组学以及人工智能和机器学习技术等的不断发展和完善，皮肤类器官的构建将更加精准、高效和个性化 。微流控技术将进一步优化皮肤类器官的培养微环境，实现对细胞生长和分化的精确调控；3D 生物打印技术将能够构建出更加复杂、逼真的皮肤类器官结构，解决血管化等关键问题；单细胞测序技术和空间转录组学将深入揭示皮肤类器官的细胞组成和分子机制，为其优化和应用提供更坚实的理论基础；人工智能和机器学习技术将加速皮肤类器官的研究进程，提高药物筛选和疾病诊断的效率和准确性 。在多学科交叉融合方面，皮肤类器官与材料学、计算机科学、纳米技术、生物力学等学科的合作将更加紧密 。新型生物材料的开发将为皮肤类器官提供更优良的支撑和营养环境，促进其生长和发育；计算机科学将为皮肤类器官的建模与仿真提供强大助力，通过构建虚拟皮肤类器官模型，提前预测其在不同条件下的反应，极大缩短研发周期，降低研究成本。纳米技术则有望实现对皮肤类器官内细胞活动的精准操控，例如利用纳米颗粒实现药物的靶向递送，增强治疗效果。生物力学的介入，能深入探究皮肤类器官在机械应力等物理因素作用下的响应机制，为皮肤创伤修复等临床应用提供更贴合实际的理论指导 。在临床应用拓展上，皮肤类器官在个性化医疗领域将进一步深化。针对各类复杂皮肤疾病，不仅能够基于患者自身细胞构建疾病特异性类器官用于精准诊断与治疗方案制定，还能在疾病发生前通过类器官模型评估个体遗传风险，实现疾病的早期预警与预防。在美容领域，皮肤类器官将成为评估新型美容产品功效与安全性的金标准，通过模拟皮肤对各类活性成分的真实反应，开发出更安全、有效的美容产品。同时，在皮肤移植方面，构建包含多种皮肤细胞类型与附属器且具备完整血管网络的皮肤类器官移植物，有望彻底解决传统皮肤移植面临的排异反应及功能不完整等难题 。在伦理与法规层面，随着研究的深入，全球范围内将加速建立健全统一且严格的伦理准则与监管框架。从皮肤类器官的构建、使用到储存，各个环节都将有明确且细致的规范，以确保研究符合伦理道德标准，切实保障患者权益与公众安全。此外，还将建立完善的伦理审查机制，对相关研究项目进行全程监督，推动皮肤类器官研究在健康、有序的轨道上蓬勃发展 。通过持续推动技术创新、深化多学科交叉融合、积极拓展临床应用以及不断完善伦理法规体系，皮肤类器官必将从根本上改变皮肤科学的研究与临床实践格局，为改善人类皮肤健康、攻克各类皮肤疾病带来前所未有的机遇与希望 。END免责声明：本文仅作知识交流与分享及科普目的，不涉及商业宣传，不作为相关医疗指导或用药建议。文章如有侵权请联系删除。OTC2025论坛深度聚焦类器官与疾病建模、新药发现/研发、3D细胞培养、类器官培养及质控。展位咨询请联系：王晨 180 1628 8769。戳“阅读原文”立即领取OTC2025免费参会名额!

前 言研究表明，Epcam(epithelial cell adhesion molecule,上皮细胞黏附分子)参与了肿瘤干细胞、细胞增殖、代谢、血管生成、上皮向间充质转化(EMT)、转移、化疗/放射抵抗和免疫调节等过程。在肿瘤发展过程中，EPCAM会与许多关键信号通路如Wnt/β-catenin、转化生长因子-β/SMAD、Epex/EGFR、PI3K/Akt/mTor和P53等发生串扰，诱导肿瘤细胞产生生物学变化。例如增强Epcam表达能通过阻止细胞间黏附、促进免疫逃逸或激活白血病和结肠癌的下游致癌基因来促进癌症侵袭。在早期食道癌中，发现EpCAM表达减少会诱导EMT（上皮-间叶细胞转化过程），加速新陈代谢。所以Epcam在癌症发展过程扮演的角色“敌友难辨”鉴于其在癌症过程的复杂作用，EpCAM已成为癌症治疗中充满前景的靶点。并可作为监测CTCs（循环肿瘤细胞）和CSCs（肿瘤干细胞）的生物标志物。因此本文集中讨论了Epcam的结构特征和生物学功能。01EpCAM的结构特征Epcam(epithelial cell adhesionmolecule)亦称CD326,隶属GA733蛋白家族，是一种I型跨膜糖蛋白和同型Ca2+非依赖性细胞粘附分子，在多种正常上皮细胞的基底膜中低水平表达(结肠表达水平最高)，而在癌细胞膜上广泛表达，尤其是鳞癌和腺癌。同时Epcam也是当前全球首个进入靶向CAR-T细胞疗法相关临床研究的靶点相关研究发现Epcam会参与细胞黏附过程，但其粘附性与钙粘附素相比更弱。值得注意的是，借助EpCAM的细胞黏附会受到CD44结合的claudin-7影响。EPCAM与两个claudin-7 和cLaudin-1分子相互作用，通过阻止其降解，来调节紧密连接的功能。当敲除EPCAM基因后，claudin-7和 claudin-1都会减少，紧密连接增加，细胞更不容易裂解，证明EpCAM在肿瘤侵袭和扩散中起着重要作用。图1：Epcam结构示意图02肿瘤生物学中扮演角色图2 EpCAM在肿瘤发生发展中的作用一癌症干细胞先前研究表明，EpCAM会在人类胚胎干细胞上广泛表达，并在分化过程中发挥关键作用。Kuan 等人研究发现，Epex和EpCAM可以提高OCT4、SOX2、KLF4和c-myc的重编程效率，并通过STAT和HIF-2α诱导成纤维细胞向多能干细胞分化。在癌症治疗领域，EpCAM是一个非常经典的CSCs（肿瘤干细胞）标志物。表达EpCAM的肿瘤细胞展现出更强的癌变能力，和更强的干细胞特性(化疗/放射抵抗、增强的成瘤性、血管生成、耐缺氧和转移集落形成能力)。二细胞代谢与血管生成比较四种表达EpCAM和AFP的肝癌，发现EpCAM+/AFP+人群的微血管密度和EGF表达水平较高。此外，Sankpal 等人发现EPCAM可调节IL-8和NF-κB转录因子在BC侵袭和血管生成中的活性。针对VEGFR2/EpCAM的双抗的增强效应及通过降低IL-8和IL-6对血管生成的调节表明EpCAM可能是预防肿瘤进展中血管生成的理想靶点。三免疫逃避和调节EpCAM会参与肿瘤免疫调节，Park等人推断EpCAM含量较高的肝癌会通过上调癌胚抗原相关细胞黏附分子1来抵抗NK细胞介导的细胞毒作用。与之类似，EpCAM+CD45+卵巢癌细胞通过过度表达主要组织相容性复合体I类抗原(MHC-I)来逃避NK细胞介导的免疫监控。四EMT过程中的动态表达和背景依赖性EpCAM在EMT（上皮细胞-间充质转化）过程中处于动态并具有背景依赖性(图2D)。鉴于EpCAM是一种黏附分子，推测EpCAM的表达下调是为了提高癌细胞迁移率，但细胞黏附分子通过干扰α-连环蛋白和F-肌动蛋白之间的联系而减弱E-钙粘附素介导的细胞间黏附作用。此外，EPCAM与EMT相关基因的表达呈正相关。在不同的研究中得到的结果并不一致。在TGF-β1诱导的食管癌细胞内皮细胞转化过程中，Epcam在细胞膜表面的表达显著减少，细胞的迁移、侵袭和扩散能力得到了提高。而低表达的EpCAM增强了癌细胞的EMT，并与子宫内膜癌的晚期肿瘤分期和淋巴转移发生相关。03EpCAM在临床肿瘤学中的应用图3 EpCAM的功能和应用EpCAM仅在上皮性肿瘤中表达，在外胚层或中胚层肿瘤中不表达。但EPCAM在乳腺癌、肝癌和胰腺癌中的表达水平与预后不良相关，而在甲状腺和肾癌中过度表达则预后较好。但在食道癌和结直肠癌中，EpCAM过度表达与患者生存之间的相关性仍然存在争议，这表明EpCAM对癌症或抑制或促进作用其实更取决于肿瘤微环境和癌症类型。但Epcam在肾癌中的表达有很高的预后价值。  表1 ：EpCAM与其他生物分子联合检测对肿瘤预后和诊断的作用一肿瘤中表达及预后价值EpCAM参与了癌症多个进程。除了其在预测转移和检测CTCs方面的诊断和预后价值外，它在癌症中的独特表达模式使其成为诊断和预后的生物标记物，详见表2    表2：EpCAM在肿瘤治疗中的免疫治疗应用二基于EpCAM的CTC检测与诊断方法CTCs（肿瘤循环细胞）是检测癌症转移的重要标志。CTC在肿瘤转移过程中起主要作用，是多种癌症的预后指标。CTCs是非常罕见的细胞(每毫升患者血液中有1-10个CTCs)，其中只有少数具有转移能力。测量外周血中的这些细胞，除了更准确地确定疾病的阶段外，对病人的伤害也较小。但值得注意的是epcam不会在CTCS表面表达。但epcam会在大多数上皮源性癌症高度表达，因此是检测CTCs的一个标志物。然而，通过EpCAM检测CTCs的方法存在不足之处。传统的基于EpCAM的CTC检测策略仅限于EpCAM阳性的CTC，并且由于EMT，还可能忽视最具侵袭性的肝癌CTC亚群的风险，导致循环中CTC的总数偏小。三化学修饰和靶向治疗先前研究表明，EpCAM在人类胚胎干细胞上广泛表达，并在分化过程中发挥关键作用。Kuan 等与传统的抗体介导的肿瘤治疗相比，可以用核酸适配体来提高药物递送的特异性和亲和力。由于EpCAM在肿瘤细胞上高度表达，尤其是CSCs，靶向EpCAM的适配体被广泛应用于癌症治疗。与双特异性抗体类似，用双特异性适配子同时靶向CD44和EpCAM比单适配子效果更好。此外，该适配子对寄主无毒性，对天然免疫无激活作用。04EpCAM在免疫治疗中的应用一单抗临床上已报道了许多有希望用于癌症治疗的EpCAM抗体（表3）。表3 EpCAM在肿瘤治疗中的免疫治疗应用第一个单克隆EpCAM抗体edrecolomab(17-1A)是从小鼠腹水中提取的IgG2a，但在多种腺癌中的治疗效果有限，这可能是因为它和肿瘤的亲和力较低。随后开发了抗体工程和人源化抗体ING-1和3622W94，并在腺癌中进行了测试。这两种抗体与EpCAM具有较高的亲和力，但耐受性较低，并会诱发胰腺炎。激素难治性前列腺癌患者的I期研究和EpCAM阳性复发或难治性晚期乳腺癌的IB期研究证实了adecatumab的有效性。EpAb2-6则是一种新的EpCAM中和抗体，它通过抑制EpicD/β-连环蛋白复合体的核转位和诱导结肠癌细胞凋亡发挥抗肿瘤作用。此外，EpAb2-6通过提高A2表达所需温度和降低PD-L1蛋白水平来增强CD8+T细胞的细胞毒活性来阻止肿瘤进展。二EpCAM双特异性抗体及其变体已开发双特异性或嵌合抗体来增强抗肿瘤疗效(上表3)。Catumaxomab(Removab)具有两个抗原结合位点(EpCAM和CD3)和一个Fc结构域，在体外可启动T细胞介导的杀伤、细胞因子相关的细胞毒作用、抗体依赖的细胞介导的细胞毒(ADCC)性和补体依赖的细胞毒性(CDC）。在II/III期研究的恶性腹水患者中，Catumaxomab治疗组的总生存期(OS)显著延长。MM-131是一种抗EpCAM/Met双特异性抗体，对Met信号通路既有依赖又有非依赖性抑制作用，对Met诱导的肝癌、BC、胃癌和肺癌的增殖均有抑制作用。双特异性T细胞结合抗体(BITE)通过将T细胞与癌细胞联系起来，刺激T细胞活化、肿瘤杀伤和细胞因子的产生，从而增强患者对肿瘤的免疫反应。Solitomab(MT110)是一种与EpCAM和CD3结合的双特异性T细胞结合抗体(BITE)，可有效治疗原发性子宫和卵巢癌肉瘤。MT110的作用机制主要依赖于T细胞活化后穿孔素和颗粒酶的释放。但由于其胃肠道毒性，solitomab最终被停用。EpCAM反义寡核苷酸1H8/CD3成功地抑制了肝癌移植瘤的生长，并降低了大多数CSC生物标志物的表达。为了降低T细胞活化引起的有害细胞因子毒性，开发了靶向NK细胞上的CD16和肿瘤细胞上的EPCAM的双特异性NK细胞活化子(Bike)，以此介导ADCC对EPCAM+HT-29结肠癌细胞的杀伤作用。经白介素15交联剂修饰的三特异性NK细胞激活剂(TRIKE)与BIKE相比，对NK细胞的激活、增殖和存活均有改善。三EpCAM ADCEpCAM抗体-药物结合物(ADC)也在应用于EpCAM+癌症治疗(表3)。Oportuzumab monatox由抗EpCAM单链可变区和假单胞菌外毒素A(ETA)片段组成，在ADC内化和ETA释放后发挥抗瘤作用。与之类似，Citatuzumab bogatox是由抗EpCAM Fab和非免疫原性九重葛毒素组成。针对各种癌症的I期和II期临床试验表明，它们对癌症治疗都具有良好的耐受性和有效性。Tucotuzumab celmoleukin(EMD 273,066，Huks-IL2)是通过将白细胞介素2(IL-2)基因融合到人源化的抗EpCAM单抗上而产生的一种免疫细胞因子，这种基于抗体的新疗法可能通过IL-2激活淋巴细胞。此外，Tucotuzumab celmoleukin与射频消融联合应用可增强小鼠结肠癌的抗肿瘤作用和免疫记忆。Tucotuzumab celmoleukin对癌症患者的安全性和有效性在I期和IB期研究中得到证实。体外细胞系分析和体内动物实验证明，更多ADC有望用于癌症治疗。ChiHEA125-AMA是α-Amanitin与嵌合的抗EPCAM单抗的偶联物，在胰腺癌、乳腺癌和其他癌症中展现出抑制肿瘤的潜力。相应地，吲哚苯二氮二聚体(IGN)与EpCAM(EpCAM-IGN)抗体的结合显示出剂量依赖性的抗肿瘤活性。四CAR-T除了抗体介导的治疗外，细胞免疫，特别是T细胞治疗，在癌症治疗中展示出一定前景。最近一项研究表明，异位表达miR-200C和EpCAM的CD8+T细胞会降低细胞凋亡，并增强抗瘤反应。靶向EpCAM的CAR - T疗法已取得了一定成功(表2)，与EpCAM−急性髓系白血病细胞相比，EpCAM+急性髓系白血病细胞具有更强的致瘤性和化疗耐药性，因为正常骨髓细胞和外周血单核细胞均不表达EpCAM。因此，靶向EpCAM的CAR -T是治疗AML的理想方法。此外，雷帕霉素可抑制mTORC1活性，上调CXCR4，从而促进EpCAM Car T细胞在骨髓中的迁移和穿透能力，治愈急性髓系白血病(AML)。结语随着基础研究的进步，EpCAM被发现在癌症进展中起着多方面的作用。除其在细胞黏附中的作用外，EpCAM还会通过调节胞外和胞内的细胞信号来实现多种功能，EpCAM通过调节细胞特性，如增殖、干细胞、移动性、化疗/放射治疗来调控癌症的进展。但其实无法断言Epcam扮演的是致癌角色或肿瘤抑制角色。但从临床角度来看，EpCAM对癌症患者的诊断和预后有很大的潜在价值。靶向EpCAM的抗体已应用于临床，随着研发人员对epcam了解的不断深入，未来在癌症治疗中将更具价值。推文用于传递知识，如因版权等有疑问，请于本文刊发30日内联系医药速览。原创内容未经授权，禁止转载至其他平台。有问题可发邮件至yong_wang@pku.edu.cn获取更多信息。©2021 医药速览 保留所有权利往期链接“小小疫苗”养成记 | 医药公司管线盘点 人人学懂免疫学| 人人学懂免疫学（语音版）   综述文章解读 | 文献略读 | 医学科普|医药前沿笔记PROTAC技术| 抗体药物| 抗体药物偶联-ADC核酸疫苗 | CAR技术| 化学生物学温馨提示医药速览公众号目前已经有近12个交流群（好学，有趣且奔波于医药圈人才聚集于此）。进群加作者微信（yiyaoxueshu666）或者扫描公众号二维码添加作者，备注“姓名/昵称-企业/高校-具体研究领域/专业”，此群仅为科研交流群，非诚勿扰。简单操作即可星标⭐️医药速览，第一时间收到我们的推送①点击标题下方“医药速览”  ②至右上角“...”  ③点击“设为星标

摘要：本文回顾细胞培养历史，其始于 19 世纪 80 年代威廉・鲁克斯的实验，罗斯・格兰维尔・哈里森、卡雷尔等科学家相继推动其发展，约翰内斯・霍尔特弗雷特等人创新三维细胞培养技术。2006 年诱导多能干细胞问世，此后细胞球、类器官和器官芯片技术不断涌现。文章阐述了细胞培养发展中的关键突破、困难及克服过程，还探讨了未来研究方向，有望促进更有效和个性化治疗的开发。 图 1. 细胞围绕浸有血浆的丝线生长的示意图 一、细胞培养的起源与早期探索 细胞培养是在体外模拟细胞自然生长环境，让细胞脱离机体后仍能生长繁殖的技术。它起源于 19 世纪末 20 世纪初，与胚胎学、生物发育及癌症研究紧密相连。 图 2. 1885 年以来对细胞培养科学知识和技术有贡献的研究人员时间线回顾 19 世纪 80 年代，德国的罗伯特・科赫在微生物培养技术上取得重大突破。当时，他致力于研究致病菌，成功鉴定出结核杆菌和霍乱弧菌，这一成果为他赢得了 1905 年的诺贝尔医学奖。科赫用明胶固化培养基，让其在培养瓶中形成均匀膜状层，极大便利了微生物的分离、鉴定和培养，成为现代细胞培养技术的重要基石。同时，他强调实验室物品灭菌的重要性，有效避免样本污染，保障了实验结果的准确性。同一时期，德国实验胚胎学家威廉・鲁克斯大胆创新，将禽类胚胎细胞置于生理盐水溶液中，成功维持了细胞生命，为细胞培养技术发展奠定了基础。 1906 年，罗斯・格兰维尔・哈里森在约翰霍普金斯大学开展了开创性实验。他专注于在试管中培养组织样本，尤其深入研究青蛙神经纤维的发育。哈里森把器官碎片放在含有血凝块、生理盐水和琼脂的液体培养基里，还开发了 “悬滴” 技术，就是将细胞培养在载玻片底部的血浆滴中。通过这些方法，他成功观察到神经纤维在体外的发育过程。不过，细菌污染问题一直阻碍着研究进展。为此，哈里森引入无菌操作方法，对手术材料灭菌、加热实验玻璃器皿，让实验和细胞培养能持续更长时间。 亚历克西・卡雷尔是细胞培养领域的重要人物，1912 年因在外科手术中引入缝合技术获得诺贝尔医学奖。他在哈里森研究的基础上，进一步优化细胞培养方法。卡雷尔用玻璃平板盖培养悬滴中的细胞，发现细胞能在组织外增殖，还可转移到新平板上操作。基于此，他发明了 “卡雷尔烧瓶”，成为现代细胞培养烧瓶的前身。卡雷尔还成功分离和培养了源自鸡胚胎心脏的永生细胞系，引发广泛关注。他与查尔斯・林德伯格合作，林德伯格开发了分离血清的方法，引入耐高温的 “派热克斯玻璃” 用于细胞培养，这种玻璃器皿能在高压灭菌器中消毒，为细胞培养创造了更可靠的条件。 卡雷尔之后，众多科学家继续探索改进细胞培养技术。约翰内斯・霍尔特弗雷特创新方法促进细胞三维发展；阿隆・亚瑟・莫斯科纳优化细胞培养技术；约瑟夫・莱顿通过实验证实三维细胞培养在模拟体内细胞行为方面的优势。他们的努力推动了细胞培养技术不断向前发展。二、细胞培养技术的关键突破与发展 随着时间推移，细胞培养技术不断取得新突破。20 世纪 60 年代，恩斯特・麦卡洛克和詹姆斯・蒂尔进行了一系列实验。他们将骨髓细胞注入受辐射的小鼠体内，观察到小鼠脾脏形成小的结节，且结节数量与注入的骨髓细胞数量成正比。他们将这些结节命名为 “脾集落”，并推测每个结节可能源自单个骨髓干细胞。后续研究中，他们与安迪・贝克尔、卢・西米诺维奇合作，进一步巩固了骨髓干细胞自我更新能力的概念，为干细胞研究奠定了重要基础。 同一时期，亚历山大・弗里登斯坦从骨髓细胞培养中，鉴定并分离出一类非造血细胞。这类细胞贴附在培养瓶上，呈成纤维细胞样外观，能形成离散的克隆集落，即 “成纤维细胞集落形成细胞”（FCFCs）或 “成纤维细胞集落形成单位”（CFU - F）。体内移植实验证明，CFU - F 具有多能性，能分化为多种间充质 / 中胚层来源的细胞，如骨细胞、软骨细胞和脂肪细胞。后来，这类细胞被命名为 “骨髓基质干细胞”，现在普遍称为 “间充质干细胞”（MSCs）。弗里登斯坦的发现为细胞治疗和再生医学开辟了新方向。 20 世纪 80 年代起，干细胞研究进入快速发展阶段。科学家们成功分离和培养出小鼠胚胎干细胞。1981 年，马丁・埃文斯和马修・考夫曼建立了源自小鼠囊胚的细胞系，这些细胞在体外能分化，注入小鼠体内可形成含有三个胚层细胞的肿瘤 —— 畸胎瘤。同年 12 月，盖尔・R・马丁也发表相关成果，并首次在文献中使用 “胚胎干细胞” 这一术语。1998 年，詹姆斯・汤姆森首次成功培养出人类胚胎干细胞，这些细胞具有广泛的分化潜能，为研究人类发育和疾病治疗提供了新途径。 2006 年，山中伸弥和高桥和利取得了干细胞研究领域的重大突破。他们通过实验，利用特定的转录因子（Sox2、Oct3/4、Klf4 和 c - Myc），将已分化的成纤维细胞重编程为诱导多能干细胞（iPSCs）。iPSCs 具有与胚胎干细胞相似的特性，这一成果为个性化医疗带来了新希望，引发了干细胞研究领域的重大变革。 图 3. 研究中用作实验模型的细胞培养技术示意图三、二维与三维细胞培养技术 二维细胞培养是将细胞在平面培养表面进行培养，在生物医学研究中应用广泛。它可用于研究细胞生理机制、细胞分化、迁移和生长等过程，还能进行药物筛选和毒性测试。二维细胞培养操作简单、成本低，但存在明显局限性。在二维培养环境中，细胞与细胞外基质接触不充分，无法完全模拟体内生理环境，可能导致细胞行为和功能改变。而且，二维培养的细胞形态和组织结构与体内实际情况有差异，会影响研究结果的准确性。 为克服二维细胞培养的局限，三维细胞培养技术应运而生。三维细胞培养能更真实地模拟体内细胞生长环境，包括细胞 - 细胞和细胞 - 细胞外基质的相互作用。它能更好地反映细胞生理功能和行为，为研究疾病发生机制、药物研发和再生医学提供更有效的模型。 三维细胞培养模型包括球体和类器官等。球体是细胞自发或在外部刺激下形成的三维细胞聚集体，能模拟胚胎发育、形态发生和器官发生过程中的自然事件。球体在疾病研究、药物筛选等领域应用广泛。类器官是更复杂的三维系统，由干细胞或分化细胞自组织形成，具有类似器官的结构和功能。类器官可用于研究各种疾病的病理生理机制、药物研发和细胞治疗等方面。例如，肝脏类器官可用于研究肝脏疾病，脑类器官可用于研究神经系统疾病。不过，三维细胞培养模型也存在一些问题，如缺乏功能性血管化、结构组织不够完善等，限制了其在研究中的应用。四、器官芯片技术的崛起 器官芯片技术是近年来兴起的前沿细胞培养技术。它基于微流控系统，将多种三维细胞培养整合在一个系统中，通过微管和微结构实现细胞之间的相互作用。器官芯片能模拟人体器官的功能和微环境，具有高度可控性和可重复性。比如，肺芯片可模拟肺部呼吸运动和气体交换过程，心脏芯片能模拟心脏收缩和舒张功能。器官芯片在药物研发、疾病建模和毒理学研究等方面潜力巨大，能为个性化医疗提供更精准的方案。 图4. （A）传统和（B）三维细胞培养研究模型。（C）用于开发人体芯片的单个器官芯片关联（连接）示意图 2010 年，哈佛大学的研究人员开发出首个肺芯片模型。他们构建了一个微流控系统，由两个被多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜隔开的微通道组成。膜上涂有特定细胞外基质，然后在膜两侧分别培养人类肺泡上皮细胞和肺微血管内皮细胞。当细胞达到合适的融合度后，通过去除上通道的液体并在培养室两侧施加真空，实现气液界面，模拟呼吸运动的生物力学力，更精确地模仿肺的自然功能。该研究展示了肺芯片在模拟细胞对肺部细菌感染的反应、评估肺部炎症反应和进行化合物毒性研究等方面的潜力。 此后，基于类似设计，多种器官芯片模型相继问世。如加利福尼亚大学的研究人员开发的心脏芯片模型，能模拟心脏细胞的自发收缩，在药物研究和发育生物学研究中展现出优势；约翰霍普金斯大学和耶鲁大学的研究团队开发的脑芯片模型，可用于研究神经祖细胞在中枢神经系统中的迁移机制；华盛顿大学的研究人员建立的肾脏芯片模型，成功评估了多肽抗生素多粘菌素 B 及其类似物的肾毒性；还有研究人员开发的肝脏芯片模型、胰腺芯片模型等，在各自领域都发挥了重要作用。五、细胞培养技术面临的挑战与未来展望 尽管细胞培养技术已取得巨大进步，但仍面临诸多挑战。动物模型在临床前研究中仍占据重要地位，但存在物种差异、成本高和伦理问题等局限性。三维细胞培养和器官芯片技术虽优势明显，但还需进一步优化和标准化。目前缺乏通用的细胞培养基，不同细胞类型对培养基要求不同，这会影响实验结果的可靠性和重复性。而且，器官芯片的构建和操作技术也有待改进，以提升其性能和应用范围。 展望未来，细胞培养技术将朝着更复杂、更精准的方向发展。科学家们致力于开发更逼真的人体生理模型，减少对动物实验的依赖。整合多个器官芯片的 “人体芯片” 技术前景广阔，它能模拟整个人体生理系统和复杂相互作用，为研究全身性疾病和药物整体效应提供有力工具。细胞培养技术还将与人工智能、基因编辑等新兴技术结合，推动生物医学研究快速发展，为人类健康带来更多福祉。 细胞培养技术的发展历程是一部充满创新和突破的历史。从早期的艰难探索到如今的器官芯片时代，每一步都凝聚着科学家们的智慧和汗水。随着技术的不断进步，细胞培养将在生物医学领域发挥更重要的作用，为我们揭示更多生命奥秘，提供更多治疗疾病的有效方法。让我们共同期待细胞培养技术在未来创造更多奇迹！ 识别微信二维码，添加生物制品圈小编，符合条件者即可加入 生物制品微信群！ 请注明：姓名+研究方向！ 版 权 声 明 本公众号所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源和作者，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系(cbplib@163.com)，我们将立即进行删除处理。所有文章仅代表作者观不本站。