科学家揭示人类皮肤的"分子配方"
一种新的人类皮肤图谱和皮肤类器官可以彻底改变皮肤疾病的治疗方法，并提高再生医学技术。一个研究小组绘制了第一张产前人类皮肤单细胞图谱，以了解皮肤是如何形成的，以及在疾病中会出现什么问题。该研究小组由来自威康桑格研究所、纽卡斯尔大学及其合作者的研究人员组成，他们利用单细胞测序和其他基因组学技术绘制了图谱，揭示了包括毛囊在内的人类皮肤是如何形成的。 这些发现可用于在再生医学和烧伤患者皮肤移植中制造新的毛囊。
人体皮肤的细胞分割染色。 使用 xenium 细胞切片抗体面板。 粉色 = 细胞膜，蓝色 = 细胞核，黄色/绿色 = 细胞内部染色。 资料来源：威康桑格研究所
放大的人体皮肤。 资料来源：威康桑格研究所
在最近发表于《自然》（Nature）的这项研究中，研究小组还在培养皿中创造了一种具有长毛能力的"微型皮肤器官"。 他们利用这个类器官展示了免疫细胞如何在无疤痕皮肤修复中发挥重要作用，这可能导致临床应用，防止手术后留下疤痕或伤口后无疤痕愈合。
作为人类细胞图谱[1]的一部分，研究人员提供了构建皮肤的分子"配方"和研究先天性皮肤病的新型类器官模型。
皮肤是人体最大的器官，平均面积为两平方米。 它为我们提供保护屏障，调节体温，并能自我再生。 皮肤在子宫的无菌环境中发育，所有毛囊都在出生前形成--出生后毛囊会循环，但不会产生新的毛囊。 出生前，皮肤具有独特的愈合能力，不会留下疤痕。
人体皮肤的氙。 这张图片展示了一些感兴趣的基因。 青色 = 干细胞，橙色 = 角质细胞，绿色和紫色 = 免疫细胞。 资料来源：威康桑格研究所
由于动物模型存在关键差异，研究人类皮肤如何发育一直是个难题。 作为"人类细胞图谱"的一部分，一个研究小组正致力于了解人类皮肤是如何形成的。 了解皮肤如何发育、细胞在空间和时间中的位置以及遗传学的作用，将有助于揭示特定突变如何导致先天性皮肤疾病，如水疱病和鳞屑性皮肤。
在这项新研究中，威康桑格研究所、纽卡斯尔大学的研究人员及其合作者绘制了第一张人类产前皮肤单细胞空间图谱。
研究小组使用了产前皮肤组织样本[2]，并对其进行了分解，以观察悬浮状态下的单个细胞以及组织内的细胞。 科学家们利用尖端的单细胞测序和空间转录组学[3] 分析了单个细胞在空间和时间上的变化，以及调节皮肤和毛囊发育的细胞变化。 他们描述了人类毛囊的形成步骤，并找出了与小鼠毛囊的不同之处。
韦尔科姆-桑格研究所的实验室工作：改变皮肤器官组织的生长介质。 图片来源：Greg Moss / 威康-桑格研究所
利用成人干细胞，[4]研究人员还在培养皿中创建了一种能长毛的"微型皮肤器官"，称为类器官。 他们比较了类器官皮肤和产前皮肤的分子特征，发现类器官皮肤模型比成人皮肤更接近产前皮肤。
研究小组发现，血管在类器官皮肤和产前皮肤中的形成情况并不相同。 通过在类器官中加入被称为巨噬细胞的免疫细胞，他们发现巨噬细胞促进了血管的形成，研究小组采用三维成像技术评估了组织内血管的形成情况。
人体皮肤。 这张图片展示了一些感兴趣的基因。 青色 = 干细胞，橙色 = 角质细胞，绿色和紫色 = 免疫细胞。 图片来源：威康桑格研究所
众所周知，这些免疫细胞能保护皮肤免受感染。 然而，这是首次证明巨噬细胞通过支持血管生长，在人类皮肤早期发育形成过程中发挥关键作用。 这为改善其他组织器官的血管化提供了一种选择。
研究小组还分析了产前皮肤和成年皮肤细胞类型的差异。 他们展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，这可能会应用于临床，避免手术或创伤后留下疤痕。
韦尔科姆-桑格研究所的实验室工作：改变皮肤器官组织的生长介质。 图片来源：Greg Moss / 威康-桑格研究所
通过这项研究，研究小组为人类皮肤的构造和毛囊的形成提供了分子"配方"。 这些见解可用于再生医学中新毛囊的制造，如烧伤患者或瘢痕性脱发患者的皮肤移植。
产前人类皮肤图谱还将用于确定哪些细胞中的基因处于活跃或表达状态，这些基因已知会导致先天性毛发和皮肤疾病，如水疱病和鳞屑性皮肤病。 研究人员发现，涉及这些疾病的基因在产前皮肤中表达，这意味着它们起源于子宫内。 这项研究创建的皮肤器官组织为研究这些疾病提供了一个新的、准确的模型。
"通过我们的产前人类皮肤图谱，我们首次提供了制造人类皮肤的分子'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，可用于再生医学，为烧伤患者或瘢痕性脱发患者等提供皮肤和毛发移植。"共同第一作者、纽卡斯尔大学的 Hudaa Gopee 博士说："我们很高兴能制作出一种能长毛的皮肤类器官模型。 在这个过程中，我们发现了免疫细胞在促进发育中的皮肤组织血管生长方面的一个新的重要作用，这有助于改进其他类器官模型。 这些被称为巨噬细胞的免疫细胞似乎还在产前皮肤的无疤痕修复中发挥着关键作用。 我们的研究结果可以为避免术后疤痕的临床进展提供依据。"
共同第一作者、威康桑格研究所细胞遗传学临时负责人穆兹利法-哈尼法（Muzlifah Haniffa）教授说："我们的产前人类皮肤图谱和类器官模型为研究界提供了研究先天性皮肤疾病和探索再生医学可能性的免费工具。 我们正朝着创建人类细胞图谱、了解人类如何构建的生物学步骤以及研究疾病发生的原因迈出激动人心的步伐。"
这项研究是人类细胞图谱（HCA）的一部分，HCA 是一个国际合作联盟，它正在绘制所有人类细胞（生命的基本单位）的综合参考图，作为了解人类健康以及诊断、监测和治疗疾病的基础。 HCA 可能会影响生物学和医学的方方面面，推动转化发现和应用，并最终引领精准医学的新时代。 HCA于2016年由时任英国威康桑格研究所（Wellcome Sanger Institute）的Sarah Teichmann博士和时任美国麻省理工学院（MIT）和哈佛大学（Harvard）布罗德研究所（Broad Institute）的Aviv Regev博士共同创立。 HCA 是一项真正的全球性倡议，目前有来自全球 101 个国家的 3，500 多名成员。 https://www.humancellatlas.org
产前皮肤组织样本由人类发育生物学资源（HDBR）和剑桥生物资源提供。
空间转录组学是一种绘制组织样本中基因活动及其位置的分子方法。 它能让研究人员准确测量完整组织样本中细胞水平的基因表达。
该皮肤类器官是利用由人类诱导多能干细胞计划（HipSci）产生的KOLF细胞系的诱导多能干细胞（iPSC）制造的。 了解有关HipSci的更多信息： https://www.hipsci.org/
编译自/ScitechDaily
