皮肤，是我们身体最外面的一层“保护罩”，它像一件神奇的“外衣”，不仅能挡风遮雨，还能调节体温、感受外界刺激。不过，皮肤的结构和功能非常复杂，里面藏着许多“小配件”，比如毛囊、皮脂腺和汗腺，它们各自都有重要的工作要做。要是皮肤出了问题，比如受伤或者生病，就会影响我们的生活质量。
在过去的研究中，科学家们想要在实验室里做出一个和真实皮肤一样的模型，但一直不太成功。传统的模型虽然能模拟皮肤的一些功能，但还是差了一些“真实感”。随着科技的进步，皮肤类器官模型出现了，它能让科学家们在实验室里创造出一个更接近真实皮肤的环境，这对于研究皮肤疾病、开发新的治疗方法，以及理解皮肤的生长发育过程都非常有帮助。今天，我们将深入了解这些皮肤类器官模型的最新研究成果，以及它们如何为皮肤医学的未来带来新的希望。
皮肤是人体最大的器官，具有屏障保护、稳态调节等重要功能，由表皮、真皮和皮下组织三层构成，包含毛囊等附属器官，却长期缺乏能还原其附属结构（毛囊、汗腺、皮脂腺）的体外模型，严重限制发育研究、疾病机制解析与再生医学转化。
传统二维角质形成细胞培养与气-液界面模型仅能形成平面表皮，无法自发产生毛囊等附属器；动物模型又存在种属差异，难以模拟人类皮肤发育与病理细节。
本综述探讨皮肤类器官模型的最新进展，借助发育生物学线索，整合多能干细胞、成体干细胞与生物工程（3D打印、微流控、可调控水凝胶），构建“附属器-齐全”的皮肤类器官，实现疾病模拟、药物筛选与移植再生的高保真平台，填补现有模型空白并推动精准皮肤医学。
1. 体内皮肤发育
了解皮肤发育对构建皮肤模型至关重要。哺乳动物皮肤发育包括表皮和真皮的形成及附属物生长。小鼠表皮发育始于胚胎日9.5，外胚层接收中胚层信号，促进表皮命运决定。E12.5前，基底祖细胞沿基底膜轴对称分裂；E13.5起，分裂轴向垂直方向移动，进行不对称分裂，助力分层表皮形成。分层初期，周皮覆盖表皮，E17-18脱落，标志分层完成。真皮成纤维细胞的胚胎起源因解剖位置而异，其发育和分化受WNT信号驱动。皮肤附属物发育依赖上皮和间质相互作用，毛囊（HF）形成信号来自真皮层，E13.5-14.5，间充质细胞聚集形成真皮凝聚物，驱动HF成熟和头发生长周期。人类皮肤发育与小鼠有许多相似之处，但存在显著差异，如表皮分层、皮肤附属物发育时间及解剖学和分布差异。因此，来自人体组织的皮肤类器官可以更精确地模拟皮肤发育和皮肤病的发生和进展（图1、2）。
图1
图2
2. 皮肤类器官模型的构建策略及关键要素
对胚胎皮肤发育的准确理解为构建皮肤类器官模型提供了基础。科学家们开发了多种基于皮肤的类器官，准确概括了皮肤的复杂结构和功能。开发体外皮肤类器官模型的三种主要策略包括：1) 使用单一类型的皮肤细胞在生物材料支架和信号分子的帮助下发育成类器官；2) 分离表皮和真皮层的细胞并诱导自组织，形成皮肤附属物类器官；3) 将ESCs或iPSCs定向分化为上皮细胞和间充质细胞，复制胚胎皮肤发育过程。这些策略涉及细胞来源、生物工程方法、3D支架和生物信号四个关键要素的相互作用，共同为创建类器官模型奠定了基础（图3）。
图3
干细胞，包括成体干细胞或祖细胞和多能干细胞（PSCs），是类器官形成和生长的关键。成体干细胞或祖细胞存在于特定区域，具有有限的自我更新和分化能力。皮肤类器官的创建涉及使用来自不同皮肤层的细胞，如表皮干细胞（EpSCs）、角质形成细胞（KCs）、真皮成纤维细胞、毛囊干细胞、真皮乳头细胞（DPCs）和汗腺细胞。这些类器官也可以由来自不同身体部位的成体干细胞产生。此外，PSCs可以通过逐步分化和自组装生成皮肤类器官。PSCs可以是胚胎衍生的ESCs，也可以是通过细胞重编程诱导体细胞去分化产生的iPSCs。PSCs具有无限的自我更新能力，并能在体内产生所有类型的细胞，但这种多功能性也增加了脱靶诱导的风险。
构建类器官的方法多样，包括ALI法、吊滴法、球形聚集法、3D打印技术和微流体法。ALI法用于构建上皮模型，如皮肤和气道模型，通过可渗透膜隔开的两室培养细胞，模拟分化过程。吊滴法依靠液气界面上的细胞聚集形成球体，但存在操作限制。球形聚集法由汉斯·克莱弗斯团队开发，操作简单，具有高通量和共培养潜力。3D打印技术能够精确打印活细胞和生物材料，促进复杂结构构建，如毛发微凝胶和汗腺（SG）类器官。微流控技术结合ALI法，模拟天然皮肤的机械力和生化线索，增强营养灌注，防止坏死，精确复制细胞间接触和基质特性（图4）。
图4
生物工程技术常利用生物材料模拟人类皮肤的复杂结构和成分，其中水凝胶因其生物相容性和可控性被广泛用于类器官构建。天然水凝胶如Matrigel和脱细胞ECM（dECM）虽能提供良好微环境，但存在成分复杂、批次间可变性和动物来源等问题。合成水凝胶如GelMA和PEG则具有良好的生物相容性和可调机械性能，但缺乏天然材料的生物活性。结合天然和合成材料的趋势日益明显，旨在利用两者的优点，减轻各自的缺点，以构建更理想的类器官模型（图5）。
图5
生物工程技术和3D支架虽能帮助干细胞自我组织，但不足以指导细胞定向分化形成功能性类器官。因此，调节信号分子以模拟体内皮肤形态发生至关重要。FGF、BMP、WNT和TGF-β通路的相互作用在皮肤表皮和真皮层的发育中起关键作用，其精确调节使PSCs能够产生特定的皮肤细胞或类器官。例如，BMP4是表皮诱导剂，而高水平的BMP促进表皮形成，减少BMP信号则有利于神经嵴细胞的早期诱导。上皮-间充质相互作用对皮肤附属物的形成至关重要，WNT信号在毛囊形成中起决定性作用，而EDA、BMP和FGF等因素则促进汗腺的形成。此外，TGF-β信号通路抑制剂、cAMP途径激活剂和Rho相关激酶抑制剂等物质也被用于优化皮肤类器官培养（图6）。
图6
3. 各种类型的类器官模型
尽管2D鼠/人EpSC培养已建立，但直到最近才开发出无饲料和无血清的小鼠表皮类器官培养系统，使成年EpSC能够长期扩增（约6个月）。培养基结合了高钙浓度、cAMP、FGF和R-spondin信号的激活以及BMP信号的抑制。这些类器官呈层状结构，增殖标志物表达的分裂上皮细胞位于最外层，而分化KCs向中心形成，表达Keratin 6A、Keratin 1和Loricrin。类似地，通过化学定义的培养基（含cAMP激活剂、EGF、WNT3a和TGF-β通路抑制剂），建立了人类皮肤表皮类器官培养系统，复制了人类表皮的形态、分子和功能特征，并保持了长达6周的生存能力。人类和小鼠表皮类器官体外培养时间的差异可能与物种差异有关，而人类表皮类器官培养体系的进一步优化仍是一个挑战。
皮肤附属物结构复杂，其形成依赖表皮与真皮层间化学信号的动态相互作用。制造类器官以模拟皮肤附属物极具挑战性，常用方法是将不同皮肤层细胞在生物工程支架中特定排列。类器官、聚集体和3D球体等术语被用于描述这些结构。
HF由多层KCs和DPCs组成，DPCs在毛囊形成中起关键作用。研究发现，通过3D培养和生物打印技术，可促进毛囊再生，但需移植到动物模型中才能发挥诱导作用。例如，Abaci等人通过将DPC和KC混合物的聚集物植入到由成纤维细胞和I型胶原凝胶组成的3D打印真皮层中来诱导毛发生成。Kageyama成功地将DPCs和KCs掺入胶原蛋白凝胶中制备了头发微凝胶，在植入小鼠背部皮肤后，这些工程微凝胶有效地诱导毛囊和轴再生。此外，Kageyama等人通过在Matrigel中共培养未分选的小鼠胚胎皮肤上皮细胞和间充质细胞，在体外生成毛囊。
皮脂腺（SeG）是另一个重要的表皮附属物，主要起源于毛囊，并与毛囊一起形成毛囊皮脂腺单位。Feldman等人证明，单个小鼠Blimp1+细胞在体外具有形成皮脂腺类器官的能力。这些类器官表达已知的皮脂腺标记物，并显示出与体内天然皮脂腺相当的脂质组学特征。
SG由分泌线圈组成，包括肌上皮细胞、分泌透明（浆液）和分泌暗（粘液）细胞，以及直接通向皮肤表面的连接管。分离的汗腺细胞在二维培养中迅速分化为角质细胞，失去其特异性表型特征；因此，采用悬挂滴培养或Matrigel包封等多种方法构建三维汗腺培养物。Klara等人报道，通过悬滴培养法培养的人汗腺细胞保留了大部分标记物，并对胆碱能刺激有反应。此外，通过在专门的汗腺培养基中培养过表达EDA的人表皮角质细胞，角质细胞可以有效地转化为诱导的汗腺细胞。这些细胞进一步嵌入到Matrigel中，并发育成与天然汗腺结构和生物学特征非常相似的汗腺类器官。这些类器官成功传代并维持了3个月，并且在体内移植后表现出分化为功能性汗腺的能力。
皮肤是复杂的分层器官，构建带附属物的皮肤类器官是生物医学难题。Lee等人通过调节TGF、FGF和BMP通路，用ESCs和iPSCs在20 – 30天内制备了小鼠皮肤类器官，包含毛囊、皮脂腺和脂肪细胞等。类似方法还制备了人类皮肤类器官，形成复杂结构及神经网络。但人类皮肤类器官存在一些问题，如缺乏汗腺形成和VII型胶原蛋白，有软骨脱靶分化等，可通过WNT信号通路刺激改善。
4. 类器官模型在生物医学研究中的应用
传统的ALI皮肤模型被广泛用于疾病建模和药物测试，包括细菌感染、伤口愈合、皮肤炎症等研究，以及抗菌肽筛选和化妆品评价。在此基础上，微流控皮肤芯片平台被引入，可更贴近天然人类皮肤，用于评估药物效率和毒性。皮肤类器官模型，尤其是皮肤附属物类器官的出现，为皮肤病建模、再生医学和发育研究带来了新机遇。这些类器官在结构、转录组学和蛋白质组学上与原始组织高度相似，展现了在皮肤研究中的巨大潜力（图7）。
图7
表皮类器官具有表皮分层特征，可用于研究多种皮肤感染和疾病。Xie等研究了小鼠表皮类器官对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的敏感性，发现其支持MRSA定植和侵袭。Wang等建立了人表皮类器官，研究红毛癣菌感染，发现其能准确反映临床病理状况。hiPSC衍生的皮肤类器官可再现全层人类皮肤的复杂性和功能，用于研究特应性皮炎、SARS-CoV-2感染等。此外，皮肤类器官还是研究遗传疾病（如大疱性表皮松解症）和皮肤肿瘤（如黑色素瘤）的有前途的工具，可促进药物筛选实验。
皮肤类器官是重建受损皮肤和提高伤口愈合效率的可行细胞来源。表皮类器官、HF类器官、SG类器官和iPSC衍生的皮肤类器官移植到伤口模型中可促进皮肤再生和附属物重建。例如，人类表皮类器官可通过微雾化装置运送到严重皮肤伤口处促进愈合，毛囊在伤口愈合和皮肤重塑中起关键作用，自体毛囊移植可加速慢性溃疡愈合，但毛囊类器官技术因复杂性、小规模生产和高成本受限，主要集中在脱发治疗上，已成功在小鼠模型中再生毛囊。对于大面积皮肤缺损，汗腺修复是挑战，但通过移植重编程KCs或汗腺上皮细胞衍生的汗腺类器官到小鼠伤口模型中，研究人员成功恢复了汗腺在伤口愈合中的关键功能，显示出巨大潜力。iPSC衍生的皮肤类器官移植到裸鼠体内后，与宿主表皮显著整合，约55%的异种移植物中观察到毛发生长，其表皮结构与成人面部皮肤相似。这些类器官有助于严重烧伤或创伤患者恢复皮肤形态和功能，且可降低局部硬皮病患者的皮肤纤维化程度，增加EpSCs活性，展现了除再生外的潜在应用。
类器官技术基于胚胎发生原理，利用多能干细胞（PSCs）分化出多谱系皮肤类器官，为研究皮肤发育开辟新途径。hiPSC衍生的皮肤类器官（培养约150天）被证实代表胎儿中期全层皮肤组织。分析其形成过程中的基因表达和信号通路，如Gopee等人发现的非免疫细胞与免疫细胞的串扰，可为人类皮肤发育提供重要见解。操控信号通路，如用CHIR99021激活WNT信号，可促进皮肤类器官生长并防止软骨分化。此外，皮肤类器官模型是研究皮肤神经支配机制的理想平台，可将神经纳入皮肤培养物中。
本研究全面总结了皮肤类器官模型的最新进展。皮肤类器官是通过干细胞在体外培养形成的三维结构，能够模拟真实皮肤的复杂结构和功能。这些模型在研究皮肤发育、疾病建模和药物筛选等方面具有巨大潜力。然而，目前的皮肤类器官模型仍面临一些挑战，如模型的稳定性和可重复性有待提高，且部分模型还缺乏血管、神经和免疫细胞等关键成分。
未来，研究人员将继续优化皮肤类器官的构建策略，提高其复杂性和功能性，使其更接近真实皮肤。同时，将重点放在血管化、神经支配和附属器官的整合上，以开发更全面的皮肤模型。此外，通过采用先进的生物工程技术，如3D打印和微流控技术，有望进一步提升皮肤类器官的稳定性和可重复性，为再生医学和药物研发提供更有力的支持。
参考文献
Zeng D, Li S, Du F, Xia Y, Zhang J, Yu S, Qin J. Advances in engineered organoid models of skin for biomedical research. Burns Trauma. 2025 Feb 23;13:tkaf016. doi: 10.1093/burnst/tkaf016. PMID: 40799298; PMCID: PMC12343079.