Adv Sci丨冷泠/张抒扬/王曼丽/周亦武等联合应用皮肤类器官首次揭示新冠患者脱发后遗症的原因

类器官因其拥有近似自然组织器官的关键结构和功能特征，能够生长并模拟组织发育和损伤修复等过程。因此，类器官模型在研究组织再生机制、疾病模型和药物筛选等方面展现了强大的应用价值。这项革命性的技术促进了新的生物医学研究范式。皮肤是由表皮及附属器（毛囊、汗腺等）、真皮和皮下组织构成。表皮是由基底干细胞和毛囊干细胞不断增殖和分化完成自我更新。真皮由大量的基质微环境、神经系统和血管组成。其中，毛囊干细胞通过Wnt、BMP、Notch等通路参与毛发生长周期和机体的损伤愈合等过程。

现有研究已经证实新冠病毒可以直接攻击或间接影响肺、气管、肠、肾、脑、心脏和皮肤等多个器官。在新冠病毒大流行期间，多种人类多能干细胞（ESC/hiPSC）衍生的类器官已被用来建立体外感染模型来研究病毒和宿主的相互作用机制，并进行有效的药物筛选。据报道，新冠肺炎患者常出现肢端红斑伴水疱或脓疱、荨麻疹、黄斑丘疹等症状。并且，根据流行病学研究和随访记录，发现部分新冠患者出现严重的脱发后遗症。然而，迄今为止，新冠病毒导致皮肤疾病的作用机制和众多患者产生脱发的原因尚不清楚。

2021年12月31日，中国医学科学院北京协和医院冷泠/张抒扬教授团队，国家蛋白质科学中心（北京）马洁/朱云平研究员团队，中科院武汉病毒所王曼丽/胡志红研究员团队以及华中科技大学同济医学院周亦武教授团队在Advanced Science杂志上联合发表了题为Establishment of Human Pluripotent Stem Cell-Derived Skin Organoids Enabled Pathophysiological Model of SARS-CoV-2 Infection 的论文。本研究创建了一种具有表皮、真皮和皮下组织完整细胞极性的皮肤类器官，并富含毛囊和皮脂腺等附属器及不同神经细胞类型的神经系统。同时，利用新冠患者的临床皮肤组织和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。该研究首次为新冠肺炎和脱发后遗症之间的关联提供了证据，也展现了皮肤类器官在病理机制研究和药物筛选方面的巨大潜力和价值。

本研究首先通过病理染色和电镜在新冠患者皮肤组织中发现了SARS-CoV-2病毒颗粒的存在，证实了新冠病毒能够直接感染皮肤组织。进而，通过定量蛋白质组学的方法构建了新冠患者皮肤的蛋白质组学图谱，并发现了表皮发育、神经系统、血液循环系统、和包括细胞外基质、焦点黏连、桥粒、黑素小体等多处皮肤重要组织微环境的生物学过程受到了严重影响。

图1. SARS-CoV-2感染皮肤毛囊和神经系统

接下来，研究利用hiPSC获得了均匀的上皮囊肿，逐步分化hiPSC产生颅神经脊样细胞和间质细胞的不对称结构。通过连续培养依次获得具备表皮细胞、神经细胞、基质细胞、成纤维细胞、肌肉细胞和血管内皮细胞等多种细胞类型的高级皮肤形态和包括角质、内根鞘、皮层、真皮鞘、玻璃膜、髓质、外根鞘、毛球、毛干、立毛肌、赫氏层、亨氏层、黑素细胞等完整结构的毛囊系统。同时，也发现了参与骨骼组织和细胞骨架以及富含脂质和能量代谢等蛋白的产生。此外，该皮肤类器官显示了皮肤组织的15种主要胶原蛋白、31种糖蛋白，10种蛋白多糖以及多种重要的可溶性生长因子，说明研究团队构建的皮肤类器官能够近似模拟皮肤组织的结构和细胞功能。

图2. 皮肤类器官模型构建

研究团队通过SARS-CoV-2体外感染皮肤类器官，发现SARS-CoV-2主要针对KRT17+细胞，对KRT71+和PDGFRα+细胞靶向作用较少。病毒感染导致毛囊表皮形态消失，细胞增殖能力下降，研究发现该现象是由于SARS-CoV-2感染使得毛囊周围表皮细胞核的H2A.X磷酸化而导致双链DNA断裂，从而引起DNA损伤和氧化应激而损伤毛囊干细胞。进一步，研究团队发现毛囊周围的神经元细胞和雪旺样细胞相继被感染，而神经内分泌细胞、小胶质细胞、星形胶质细胞、卫星细胞等多种神经细胞类型的细胞形态和功能蛋白均受到严重影响。

图3. SARS-CoV-2感染皮肤类器官并影响其功能

此前，冷泠与马洁研究团队一直致力于利用大数据科学应用至转化医学的研究中，共同开发表皮类器官/全层类器官及相关数据库的开发，尤其注重外胚层（皮肤和脑）来源组织器官的疑难重症与罕见病的相关问题。在之前的研究中，共同合作首次从新冠肺炎的临床样本出发系统性地从分子水平上揭示了在COVID-19患者肺组织和肝组织发病过程中起关键作用的致病机制，医学干预策略和药物靶点选择提供了科学依据；基于解析COVID-19患者预后血液标志物，并延续前期在肺组织和肝组织损伤病理机制的研究成果，建立器官损伤与血液标志物预测相关性系统，为普通型感染者和无症状感染者的治疗效果和健康预测提供了科学依据。相关研究结果部分以封面亮点形式已经发表在2020年10月以及2021年1月和6月的Signal Transduction and Targeted Therapy杂志上。在本研究中，合作团队利用新冠肺炎的皮肤样本以及体外类器官感染模型揭示了两个问题：1、SARS-CoV-2能够直接感染皮肤的毛囊和神经系统；2、SARS-CoV-2感染导致的皮肤不同结构病变的致病机制。后续，研究团队将继续利用类器官感染模型进行药物筛选方面的工作。此外，本研究中构建的皮肤类器官包括皮肤的表面（表皮和真皮）和深层（软骨和皮下脂肪）结构，这可能使其成为其他皮肤病研究的理想模型，对于临床表型复杂的难愈性疾病和罕见病，使用具有完整组织结构和细胞类型的皮肤类器官进行致病机制研究和临床治疗在未来的临床应用有着广大的应用前景。

中国医学科学院北京协和医院冷泠副研究员、张抒扬教授，中科院武汉病毒所王曼丽研究员和华中科技大学同济医学院周亦武教授为共同通讯作者，国家蛋白质科学中心（北京）马洁副研究员、硕士生李晓，中科院武汉病毒所刘佳副研究员和中国医学科学院北京协和医院研究助理高敦芹为论文共同第一作者，

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202104192

制版人：十一

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