重大突破:血管化皮肤类器官成功构建,模拟人体皮肤新平台

皮肤是人体最大的器官,不仅承担屏障保护、体温调节、免疫防御等重要功能,还涉及复杂的结构与细胞组成。尽管如此,长期以来,科学家一直面临构建具有完整血管系统和免疫细胞的功能性皮肤模型的挑战。近日,发表在《Advanced Healthcare Materials》上的一项研究取得了突破性进展,成功开发出一种源自 人类诱导多能干细胞(hiPSC) 的 血管化皮肤类器官(VSKO) 模型。该方法通过实现免疫细胞与血管化皮肤的协同发育,不仅推动了皮肤生物学研究,还为皮肤疾病的治疗提供了新希望。
高效构建血管化皮肤类器官:突破性技术方案
研究团队利用 hiPSC 技术与共培养系统相结合,成功构建了具有完整 血管网络和驻留免疫细胞 的皮肤类器官。
第一阶段:初步尝试与技术挑战
ECFC与SKO整合:团队最初尝试将 人类胎儿胎盘内皮集落形成细胞(ECFC) 整合到 hiPSC 衍生的 皮肤类器官(SKO) 中,以实现内皮化。
技术局限:尽管 ECFC 能够形成毛细血管样结构,但其无法建立复杂的血管网络,还对表皮分层和毛囊形态发育产生负面影响。此外,免疫荧光分析显示 ECFC 并未完全解决 SKO 的发育不足问题。
第二阶段:VO与SKO共培养
为克服上述瓶颈,研究团队改进方法,采用 血管类器官(VO) 和 SKO 的共培养方式。
创建VO:通过添加特定因子诱导 hiPSC 分化为 VO,成功促进中胚层谱系发育,并通过转化生长因子-β抑制剂和GFR-M液滴,快速生成动脉、静脉和毛细血管。
VO组成:VO中包含多种细胞类型,如内皮细胞(CD31+)、造血细胞(CD45+)、间充质细胞(CD90+)及周细胞(PDGFRβ+)。
VO与SKO共培养:将 SKO 置于两个 VO 之间,在气液界面培养系统中实现协同发育,模拟皮肤在外界环境中的动态状态。
模型成果:再现人体皮肤复杂结构
1. 血管系统的成功整合
VO中的内皮细胞成功迁移至 SKO,形成了 复杂的毛细血管网络。这些血管样结构深入至毛囊周围,且表明 VO 在皮肤类器官血管化过程中扮演了核心角色。
2. 发育完整的皮肤结构
VSKO中观察到成熟的厚表皮层、毛囊和真皮乳头,表现出接近人体皮肤的组织结构。组织学分析显示,血管网络与毛囊的功能区域完美融合,不仅解决了缺乏分层的难题,还进一步促进了 SKO 的角质化和结构分化。
驻留免疫细胞:模拟免疫微环境
研究团队进一步验证了 VSKO 中免疫细胞群的发育和驻留情况:
免疫细胞成分:
巨噬细胞(CD68+)
朗格汉斯细胞/真皮树突状细胞(CD207+)
中性粒细胞(CD66b+)
分布特征:这些免疫细胞从 VO 迁移至 VSKO 的真皮及表皮层,形成类似人体皮肤免疫微环境的功能结构。
分析结果:免疫细胞的成功整合,完善了 VSKO 中的功能性皮肤屏障。
研究意义:生物学研究与医学应用的双重突破
革命性平台的研发:
这项研究为皮肤类器官提供了一个革命性的平台,模型在功能和结构上都高度接近人体皮肤。
模拟 皮肤-免疫相互作用:VSKO 成功再现了复杂的皮肤免疫微环境,对理解皮肤免疫机制具有重要价值。
建立 疾病研究模型:结构稳定的 VSKO 为解析多种皮肤疾病提供了新的模型。
广泛应用前景:
炎症性疾病研究:通过研究免疫细胞与皮肤组织的动态变化,开发新型抗炎疗法。
免疫介导疾病:针对过敏性皮炎、银屑病等免疫性皮肤病提供新靶点。
再生医学:为烧伤修复及移植等再生医学领域提供个性化细胞治疗方案。
药物筛选与毒理试验:VSKO 可用于新药筛选,大大提高药物研发效率,减少动物实验需求。
结语
这项以 血管化皮肤类器官(VSKO) 为核心的研究,不仅克服了传统皮肤模型缺乏血管网络与免疫微环境的技术瓶颈,还搭建了一个更接近生理条件的实验平台,为理解皮肤生物学和开发疾病治疗方法提供了强有力的工具。未来,VSKO 在再生医学、药物开发以及皮肤疾病建模中的应用,必将推动相关领域的快速发展,造福更多患者。