12.4.5 皮肤病模型的构建
作为人体的第一道屏障，皮肤往往暴露于病原体、紫外线以及各类化学药品等外界刺激之中，并因此导致皮肤感染或各种炎症性皮肤疾病。基础研究中缺乏有效可行的皮肤病模型阻碍了皮肤病研究的进展；使用细胞系或实验动物模型往往难以预测不同患者对皮肤病治疗药物的反应，导致了大量不必要的药物或有不良反应的药物在临床的应用。皮肤类器官可有效构建多种皮肤病模型，除了常见的湿疹、痤疮等炎症性皮肤病，皮肤类器官可以由患者来源的细胞构建罕见皮肤疾病体外研究模型（如硬皮症等）。类器官技术的发展可能为皮肤病研究和患者个性化治疗提供新的机遇和希望。
1.皮肤感染和炎症疾病
皮肤类器官可利用病原体、炎症因子或各种类型的药物刺激建立皮肤感染或炎症疾病模型。因此，皮肤类器官作为药物筛选和机制研究模型在该领域有着广泛的应用。
人类皮肤被丰富的细菌群落定植，许多内源性和外源性因素会影响共生宿主—微生物建立的微妙平衡，进而导致皮肤感染或特应性皮炎等疾病的发生［59］。金黄色葡萄球菌是引发皮肤感染的常见原因，并且与特应性皮炎的发生具有相关性［60］。目前尚不清楚金黄色葡萄球菌是特应性皮炎的直接原因，还是其造成上皮屏障破坏所产生的间接结果。目前大多数关于皮肤与皮肤菌群的研究都依赖动物模型和2D细胞培养系统。由于动物模型的物种差异以及细胞培养系统缺乏皮肤细胞组成和组织结构的复杂性，这些模型无法准确描述人类皮肤、金黄色葡萄球菌和皮肤菌群之间的相互作用和共生关系。
为了建立行之有效的研究模型，有研究将金黄色葡萄球菌接种于皮肤类器官中建立了特异性皮炎模型［61］。该模型使用的皮肤类器官为具有毛囊的复杂皮肤类器官，因此其重现的特异性皮炎病理表型与人类皮肤相似。研究表明金黄色葡萄球菌感染破坏了类器官表皮屏障，并诱导表皮和真皮分泌的炎性细胞因子增加。该研究首次证明了特异性皮炎与金黄色葡萄球菌定植存在直接的因果关系。有趣的是，该研究还发现健康人体皮肤上的一种共生皮肤细菌C.acnes可保护皮肤类器官免受金黄色葡萄球菌介导的皮肤屏障损伤。
痤疮是一种毛囊皮脂腺慢性炎症性疾病，主要与皮脂分泌过多、毛囊皮脂腺导管堵塞、细菌感染和炎症等因素密切相关。皮脂腺类器官是痤疮研究重要工具之一。通过显微解剖成人面部皮肤获得的SebE6E7皮脂细胞系经过逆转录病毒转导HPV16/E6E7基因可获得干细胞特性。将解离的Seb E6E7皮脂细胞重悬于生长因子还原基质胶中，在角质形成细胞培养基中培养即可产生皮脂腺类器官。免疫染色显示皮脂腺类器官含有导管和皮脂腺标志物。通过构建GATA6+和shGATA6+皮脂腺类器官进行的机理研究提出GATA6可能是治疗痤疮的潜在靶点［62］；还有研究使用皮脂腺类器官来比较维A酸和RepSox（TGF-β抑制剂）的治疗效果。皮脂腺类器官在痤疮药物疗效评价、病理机制探索、潜在治疗靶点发现等方面发挥着重要作用。
新冠病毒感染患者常出现肢端红斑伴水疱或脓疱、荨麻疹、黄斑丘疹等皮肤症状，并且根据流行病学研究和随访记录发现部分患者会出现严重的脱发。有研究利用皮肤类器官感染新冠病毒的体外模型，发现新冠病毒能够感染皮肤毛囊干细胞和神经系统，从而导致毛发脱落和神经元死亡［63，64］。该研究为新冠病毒感染和脱发后遗症之间的关联提供了证据。此外，还有诸多研究利用皮肤类器官建立了金黄色葡萄球菌、念珠菌、红毛癣菌等体外感染模型，并筛选出针对多种抗真菌耐药病原体的药物［65-67］。
以皮肤原代细胞培养的皮肤类器官可以展示人类皮肤的复层结构和基因表达模式，这为目标分子在复杂皮肤疾病中的作用机制研究提供了可能。如有研究利用白细胞介素-4（interleukin 4，IL-4）等细胞因子刺激全层皮肤3D模型，可建立特应性皮炎样皮肤类器官模型［68］；通过siRNA介导的基因敲除技术对健康个体的成纤维细胞进行改造，并建立皮肤类器官模型，确认了微丝蛋白的缺乏是特应性皮炎的诱因之一［69］；IL-19、IL-20、IL-22和IL-24以剂量依赖性方式在皮肤类器官中建立银屑病模型，并确定这些细胞因子会诱导银屑病相关蛋白S100A7和角蛋白KRT16的表达，引起Stat3的持续激活。研究结果证实IL-20亚家族细胞因子是皮肤生物学的重要调节因子，在银屑病的免疫病理学中具有潜在的关键作用［70］。(https://www.daowen.com)
构建感染和炎症相关的皮肤类器官模型有利于更好地了解感染过程，揭示相应的免疫反应机理和药物治疗机制。这些研究展现了皮肤类器官在皮肤病病理机制研究和药物筛选方面的巨大潜力和价值。
2.局限性硬皮病
硬皮病是一种罕见的发病于皮肤和（或）皮下组织的慢性结缔组织疾病。以皮肤炎症变性、增厚以及硬化萎缩为特征［71］。此外，皮肤损伤处伴随着汗腺萎缩、起疱和真皮表皮坏死。病理表现为血管病变、免疫系统异常和纤维化。此病可以引起多系统损害，其中系统性硬化除皮肤、滑膜、指（趾）动脉出现退行性病变外，消化道、肺、心脏和肾等内脏器官也可受累。该病由于患者少、病情重而导致其治疗方法十分有限。
近期有研究建立了一种人多能干细胞来源的具有双重细胞来源（TFAP2A+、ECAD+、PDGFα+和SOX10+P75+）的类器官（epithelial and mesenchymal organoids，EM类器官）用于局限性硬皮病的研究［72］。sc RNA-seq的结果显示该类器官包含上皮、神经内皮、神经元、胶质和神经干/祖等8种亚细胞类型，并含有与血管生成、ECM重塑、神经修复和组织再生相关的多种生长因子。研究者采用EM类器官对局限性硬皮病小鼠治疗一个月后发现其皮肤纤维化得到有效改善，皮肤组织厚度几乎恢复到正常水平，萎缩的汗腺和毛囊皮肤附属器也出现再生，表皮干细胞干性和增殖能力增强。此外，局限性硬皮病小鼠皮肤的血管在EM类器官移植后出现明显再生。分子水平上的评估显示小鼠胶原束中IL-1、IL-6、IL-12、TNFα和CXCL12等多种炎症因子水平与未治疗的局限性硬皮病小鼠相比显著下调，趋于正常小鼠的分泌水平，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ和Ⅻ型胶原蛋白的表达恢复至正常水平。
3.其他皮肤损害模型
皮肤位于人体的最外层，常常暴露于各种具有毒性的刺激条件中，如红外线、紫外线和电离辐射等。这些刺激可能引起严重的DNA损伤，导致基因突变和肿瘤发生。但对这种损伤的评估往往缺少与人类皮肤相似的模型，随着类器官技术的发展，皮肤类器官在该领域的应用优势也逐渐显示。例如，95%的患者在放射治疗后会产生轻重不一的皮肤病变，预估放射治疗的准确剂量是降低放疗副作用的有效手段。为了研究电离辐射对皮肤DNA损伤的影响，研究人员利用人类多能干细胞来源的皮肤角质形成细胞建立了3D皮肤类器官模型［73］。该研究利用角质形成细胞的分化状态和DNA损伤标记物来评价不同放射剂量产生的电离辐射对皮肤造成的损伤。此外，还有研究利用皮肤类器官结合免疫缺陷小鼠建立的体内异种移植模型来评价电离辐射对皮肤移植的影响［74］。研究显示，单次50 m Gy辐射剂量足以扰乱表皮再生的过程，表现为表皮细胞具有异型增生和上皮间充质转化的细胞和分子特征，这可能成为未来癌症发展的风险。
各类光线对皮肤的刺激往往会引发不同的响应，例如紫外线辐射对皮肤造成伤害，而可见光和红外线则相对安全，并且对伤口愈合、痤疮、牛皮癣等皮肤疾病有一定程度的治疗效果。已有研究利用由表皮角质形成细胞和真皮成纤维细胞组成的全层皮肤类器官对各类光线刺激的作用进行评价。
皮肤类器官也可以作为评价外部化学刺激对皮肤组织影响的研究模型。社会文身的流行率上升使人们对文身色素的毒性愈发担忧。传统的细胞毒性测定只能阐明文身墨水中可溶性成分的毒性，而对文身墨水的非溶解物毒性和文身过程造成的皮肤损伤无法评估。为了克服这些障碍，3D全层皮肤模型被用于评价各类文身墨水的毒性［75］。研究显示二氧化钛（一种常见的文身色素）会降低细胞活力并使成纤维细胞IL-8的释放增加。这项研究强调了在研究文身色素毒理学时使用3D组织模型的重要性。