Nature | 治疗秃顶重大突破！最接近真实人类皮肤的皮肤类器官
BioWorld |
2020-06-05 08:10
来源：BioWorld
16年前，美国NBC《今夜秀》的当家主持人Jay Leno（下图左一）嘲笑科学家至少在小鼠上治愈了“秃顶”。而最新的一篇Nature论文报道了一种可以直接从人类多能干细胞产生复杂皮肤的类器官培养体系，首次实现了在体外完成接近完整的真实皮肤的自组装，并成功将其用于体内皮肤的重建，该工作无疑是再生医学领域的一项重要突破，为治愈秃顶带来了希望！Nature同期配发评论文章，高度评价了这项工作。作为人体中最大的多层器官，整个皮肤系统由皮肤和它的各种附属结构（如毛囊、汗腺和指甲）组成，对于体温调节、体液保持、外部压力的抵御、触觉和痛觉的调节等多种过程至关重要。皮肤由表皮和真皮两层组成，在发育过程中，虽然表皮起源于外胚层，但真皮则有不同的胚胎起源。身体真皮组织主要来源于近轴和侧板中胚层，面部真皮组织则主要来源于颅神经嵴细胞。不论皮肤来源于何，所有的皮肤类型都需要上皮（表皮）和间充质（真皮）细胞的相互作用才能最终发育和形成各种附属结构，从而真正地发挥皮肤的功能。在动物模型中，啮齿动物和人类带有毛囊的皮肤可以通过将间充质细胞和上皮细胞、尤其是毛囊起始真皮乳头细胞共同培养来重建。在超过40年的时间里，包括表皮细胞和真皮细胞的培养系统被用于体外人体皮肤的研究或临床应用，然而，在这些系统中培养出功能性皮肤附属结构一直都是困难的。已有研究报道，携附属结构的皮肤类器官可以通过来自小鼠多能干细胞的表皮和真皮细胞的定向分化产生。但是，在体外培养和生物工程移植物中重建携带附属结构的人类皮肤仍然是一项亟待解决的生物医学难题。2020年6月3日，美国波士顿儿童医院的Karl R. Koehler研究团队在Nature上在线发表题为：Hair-bearing human skin generated entirely from pluripotent stem cells 的研究论文。报道了一种可以直接从人类多能干细胞产生复杂皮肤的类器官培养体系，首次实现了在体外完成接近完整的真实皮肤的自组装，并成功将其用于体内皮肤的重建，为未来人类皮肤的发育、疾病建模和重建手术的研究提供了坚实有力的基础！
这个近乎于真实皮肤的皮肤类器官建立的理论根基就在于要从人类多能干细胞中共诱导出表面外胚层细胞和间充质细胞，那么它具体是如何实现的呢？
体外皮肤类器官的基本实验流程（图片来自Nature）研究人员首先将人类胚胎干细胞（WA25细胞系和桥粒斑蛋白DSP-GFP人诱导多能干细胞系）分离成单细胞，置于U型底96孔板中，以形成统一的细胞聚集；然后将聚集物转移到含有促进表皮诱导关键因子（基质凝胶、骨形态发生蛋白4和TGFβ抑制剂）的分化培养基的新板上进行培养；分化第3天，加入BMP抑制剂和基础纤维母细胞生长因子（FGF）；第16天，形成了被颅神经嵴（CNC）细胞包围的上皮细胞包囊；第18天，类器官逐渐形成两极，上皮细胞包囊分化为一极（头），另一极（尾）则为不透明细胞团；大约50天后，上皮细胞分层为KRT5+KRT15+基底层、KRT5低表达的中间层和KRT15+外膜样层，提示高阶皮肤形态的发生；经过一段时间的静止（50-70天），大约在75天左右，类器官进入毛发生长阶段，毛囊出现，并表达相应的转录因子如SOX2。至此，皮肤类器官诱导成功，并且皮肤类器官的毛囊生长经历了类似于哺乳动物毛囊的形态发生过程。此外，研究人员发现类器官毛囊在整个表皮上周期性地间隔，表明皮肤附属结构的模式机制在类器官中得以保留。
随后，为了深入了解皮肤类器官中出现的细胞谱系，研究人员分别在分化一周和一个月后对WA25和DSP-GFP类器官进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）。数据结果显示类器官细胞群可分为四类：上皮细胞、神经胶质细胞、间充质细胞和活性周期细胞。分化一周时的类器官以上皮细胞为主（59%），并且主要来自解剖上不同的颅外胚层细胞群；而分化一个月后的类器官以间充质细胞为主（70%），进一步分析表明其可能发展出与下巴、脸颊和外耳皮肤相似的独特解剖特征。此外，研究人员还深入了解了可能控制表皮和真皮层之间相互作用的自组织信号机制，比如编码WNT信号通路调节因子的基因在表皮（WNT6和LEF1）和真皮（SFRP2、TCF4、WIF1和APCDD1）细胞群中均有差异表达。这些结果均表明皮肤类器官产生的不同细胞群与胚胎发育的皮肤一致。
进一步观察分析培养140天后的皮肤类器官，其外观与从真皮侧观察的18周的人类胎儿皮肤相似（下图b，c），同时发现这是一个由分层表皮、富含脂肪的真皮和带有皮脂腺的色素毛囊组成的囊样皮肤器官，并且在尾部发育出透明软骨。与此同时，分析表明皮肤类器官的毛囊达到了一个成熟的水平，大致相当于妊娠中期胎儿的头发，并且具有进一步成熟所需的细胞成分。
培养140天的皮肤类器官此外，第29天scRNA-seq鉴定的神经胶质细胞可以成熟为有组织的神经组织，由感觉神经元和施万细胞（schwann，周围神经系统中的神经胶质细胞）组成的网络形成了神经样束，靶向类器官毛囊中的Merkel细胞（上图p-r）（树枝状细胞的一种，位于光滑皮肤的基底细胞层及有毛皮肤的毛盘，数量很少，多数情况下位于神经末梢），以此模仿与人类触觉相关的神经回路。当在裸鼠背部皮肤上1-2 mm的小切口中植入WA25皮肤类器官时，其表皮可以与宿主表皮融合，类似于真正的人类皮肤一样，毛发可以垂直长出（下图），并且未出现溃疡或其他肿瘤样生长失控的迹象，由此表明囊性皮肤类器官可以在伤口处展开并整合成平面皮肤。
综上所述，本研究利用表面外胚层细胞（即表皮前体细胞）包裹的间充质细胞（即真皮前体细胞）组成的三维囊性结构，实现了自我组织并模拟对毛囊发育至关重要的细胞间信号传递机制，成功建立了一个能够用来研究皮肤及其附属结构发育的细胞动力学的类器官模型，该模型近乎完美的重现了人类皮肤系统的结构和分子机制。未来将其用于一系列遗传性皮肤病和癌症的研究，可有助于加速药物的发现。此外，通过对脱靶细胞谱系的额外控制，该皮肤类器官也可实现皮肤烧伤或其他皮肤伤口患者的含附属结构皮肤的重建。值得一提的是，Nature杂志同期配发评论文章，高度评价了该项工作，对该工作非常有信心，认为该研究对治愈秃顶来说是迈出了一大步，具有极大的临床转化前景。同时，评论中也提出了几个重要问题，例如头发再生的效率问题以及植发过程中需要多少细胞，一个很大瓶颈还在于整个头发再生过程需要长达140多天，从目前来看，时长限制其应用前景。
来源：ibioworld BioWorld
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