类器官/器官芯片：仿生人工皮肤
Burns & Trauma 发表的系统综述，全面梳理类器官和器官芯片技术在构建仿生人工皮肤方面的最新进展。
人体皮肤基本结构示意图：表皮、真皮、皮下组织及其组成成分
一、背景与意义
1.1 皮肤作为人体最大器官
皮肤通过物理、化学和免疫屏障功能保护机体免受病原体和有害物质侵害。然而，在体外准确复制人类皮肤的复杂生理结构一直是一大挑战。
1.2 传统模型的局限
| 模型 | 优势 | 局限 |
|---|---|---|
| 2D 细胞培养 | 操作简单、成本低 | 缺乏 3D 结构、细胞间相互作用有限 |
| 动物模型 | 完整生理系统 | 种属差异大、伦理问题、成本高 |
| ** reconstructed human epidermis (RHE)** | 已有 OECD 验证 | 缺乏毛囊和皮脂腺、屏障性能有限 |
1.3 类器官与器官芯片的优势
- 类器官：从多能干细胞或成体干细胞衍生的 3D 自组装微组织，忠实复制器官的结构和功能复杂性
- 器官芯片（OOC）：微型化人体器官模型，广泛应用于脑、肺、心脏、肝脏、肠道等系统建模
两者结合正在建立仿生建模的新范式，对理解基础生物学、阐明疾病机制和推动精准医学具有重要意义。
二、皮肤器官芯片技术
现有皮肤芯片研究概览：细胞类型、芯片类型、制造方法和关键发现
2.1 芯片制造技术
| 技术 | 材料 | 优势 | 局限 |
|---|---|---|---|
| 软光刻 | PDMS | 易加工、快速成型、光学透明 | 气体渗透、易脱水、吸收疏水分子 |
| 3D 打印 | 天然/合成生物材料 | 空间分布控制、复杂微通道 | 分辨率因技术而异 |
| 注塑成型 | PMMA、COC、PC | 机械性能好、坚固 | 硬、不能吸收分子 |
2.2 代表性皮肤芯片模型
| 芯片类型 | 涉及细胞 | 关键发现 |
|---|---|---|
| 全层皮肤芯片 | 活人皮肤细胞 | 无泵微流控设备 |
| 表皮芯片 | 角质形成细胞、黑色素细胞 | TEER 原位检测屏障功能 |
| 角质形成细胞-感觉神经芯片 | 感觉神经元、角质形成细胞 | 模拟高血糖环境 |
| 血管化皮肤芯片 | 角质形成细胞、成纤维细胞、内皮细胞、HUVECs | 可灌注血管通道 |
三、皮肤类器官
皮肤类器官的构建策略和应用
3.1 皮肤类器官的组成
皮肤类器官需要包含以下关键成分：
- 表皮：角质形成细胞多层结构
- 真皮：成纤维细胞和细胞外基质
- 皮肤附属器：毛囊、皮脂腺、汗腺
3.2 构建策略
- 自组织法：利用干细胞的自组装能力
- 生物打印法：精确控制细胞空间分布
- 微流控法：在芯片上培养类器官
3.3 关键标志物
- 表皮：Keratin 5/14（基底层）、Keratin 1/10（分化层）、Involucrin、Filaggrin
- 真皮：Collagen I/III、Elastin、Fibronectin
- 毛囊：Keratin 15、CD200、Sox9
四、应用领域
4.1 药物渗透性测试
皮肤芯片在药物渗透性评估中的应用
- 评估药物经皮吸收效率
- 优化药物递送系统
- 减少动物实验需求
4.2 皮肤毒性评估
- 化妆品安全性测试（替代动物实验）
- 化学物质皮肤刺激性评估
- 光毒性测试
4.3 疾病建模
皮肤类器官在疾病建模中的应用
- 银屑病：模拟表皮过度增殖和炎症
- 特应性皮炎：研究屏障功能障碍
- 皮肤癌：肿瘤微环境研究
- 伤口愈合：再生过程模拟
4.4 个性化医疗
- 患者特异性皮肤模型
- 个体化药物反应预测
- 基因治疗评估
五、血管化皮肤模型
血管化皮肤等价物的构建
5.1 血管化的重要性
- 为皮肤组织提供营养和氧气
- 模拟炎症和免疫反应
- 支持更大尺寸的组织构建
5.2 血管化策略
- 共培养：内皮细胞与角质形成细胞/成纤维细胞共培养
- 微流控通道：在芯片上构建灌注血管网络
- 生物打印：打印含血管通道的皮肤结构
5.3 关键成果
- 构建了含可灌注血管通道的人类皮肤等价物
- 实现了皮肤炎症和水肿的模拟
- 支持长期培养（>28 天）
六、挑战与未来方向
仿生人工皮肤面临的挑战与未来发展方向
6.1 当前挑战
- 复杂性不足：现有模型仍缺乏完整的皮肤附属器（毛囊、皮脂腺、汗腺）
- 免疫组分缺失：无法模拟皮肤免疫反应
- 神经支配缺乏：缺少感觉神经末梢
- 标准化不足：不同实验室结果难以比较
- 规模化生产：从实验室到商业化的转化障碍
6.2 未来方向
- 多细胞类型整合：加入免疫细胞、神经细胞、黑色素细胞等
- 动态微环境：模拟血流、机械应力、温度变化
- AI 辅助设计：利用机器学习优化芯片设计和培养条件
- 高通量筛选：开发自动化皮肤芯片平台
- 临床转化：推动监管认可和商业化应用
七、技术对比
| 技术 | 结构保真度 | 功能模拟 | 通量 | 成本 | 临床相关性 |
|---|---|---|---|---|---|
| 2D 培养 | 低 | 低 | 高 | 低 | 低 |
| RHE | 中 | 中 | 中 | 中 | 中 |
| 皮肤类器官 | 高 | 高 | 低 | 高 | 高 |
| 皮肤芯片 | 高 | 高 | 中 | 高 | 高 |
| 类器官+芯片 | 最高 | 最高 | 低 | 最高 | 最高 |
八、与我们的关联
作为生命科学仪器和耗材供应商，该领域的发展带来以下机会：
- 微流控设备：皮肤芯片制造和运行设备
- 3D 培养耗材：Transwell 小室、基质胶、培养基
- 成像设备：共聚焦显微镜、活细胞成像系统
- 屏障功能检测：TEER 测量仪、渗透性测试设备
- 生物打印：3D 生物打印机、生物墨水
- 细胞来源：原代角质形成细胞、成纤维细胞、干细胞
原文下载
📄 organoids-organs-on-chips-biomimetic-skin-burns-trauma-2025.pdf
文献信息
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 标题 | Organoids/organs-on-chips towards biomimetic human artificial skin |
| 期刊 | Burns & Trauma |
| 卷期 | Vol. 13, tkaf029, 2025 |
| DOI | 10.1093/burnst/tkaf029 |
| 发表日期 | 2025 年 5 月 3 日 |
| 作者 | Yuting Huang, Xiaoyan Wu, Yongxin Xu, Nengjie Yang, Peipei Xi, Yunan Wang, Yujuan Zhu, Xiaodong Chen |
| 机构 | 南通大学附属医院皮肤科、免疫学研究中心、急诊科、临床医学研究中心 |
联系人｜李东伟
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