人源多能干細胞衍生的皮膚類器官構建結核分枝桿菌感染病理模型揭示PI3K-AKT-AP1通路驅動皮膚纖維化新機制

《Nature Communications》：Human pluripotent stem cell-derived skin organoids enabled pathophysiological model of Mycobacterium tuberculosis infection

【字體： 大 中 小 】 時間：2025年12月03日 來源：Nature Communications 15.7

　　

結核�。═uberculosis, TB）是由結核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis, Mtb）引起的一種古老傳染病，至今仍在許多發展中國家流行。除常見的肺結核外，肺外結核占比可達8%-24%，其中皮膚結核（Cutaneous Tuberculosis, CTB）約占1.5%-3%。CTB病變常伴隨肉芽腫形成和細胞外基質（Extracellular Matrix, ECM）重塑導致的纖維化，但因其癥狀隱匿、診斷延遲，且缺乏能夠模擬人類皮膚復雜結構的體外模型，其病理機制研究進展緩慢。尤其成纖維細胞在纖維化過程中的具體作用尚不明確。

為解決這一難題，軍事醫學科學院等單位的研究團隊在《Nature Communications》發表最新研究，利用人誘導多能干細胞（human induced pluripotent stem cells, hiPSCs）成功構建了包含毛囊、皮脂腺、脂肪細胞和神經結構的皮膚類器官（Skin Organoids, SKOs），并以此為基礎建立了Mtb感染模型。該模型通過單細胞RNA測序（scRNA-seq）、免疫熒光染色、組織化學分析等多維度技術，揭示了Mtb感染誘導皮膚纖維化的關鍵機制，發現PI3K-AKT信號通路和轉錄因子AP1的激活是驅動膠原沉積的核心因素，為CTB的抗纖維化治療提供了新思路。

關鍵技術方法

研究采用hiPSCs分化為皮膚類器官（SKOs）的技術，通過130天培養獲得具有多層表皮、真皮、毛囊和脂肪細胞的結構。利用結核分枝桿菌H37Rv株感染SKOs模擬皮膚結核，通過單細胞RNA測序分析細胞類型變化，結合免疫組化、Masson染色、qPCR、Western blot等技術評估纖維化相關基因和蛋白表達。使用PI3K抑制劑LY294002/Wortmannin和AP1抑制劑T5224/SR11302進行干預實驗，驗證靶點功能。

研究結果

SKOs成功模擬人體皮膚結構并支持Mtb感染

研究通過hiPSCs分化獲得成熟SKOs，其表達角蛋白5（KRT5）、波形蛋白（Vimentin）等皮膚標志物，并含有I型、III型和IV型膠原。

Mtb感染9天后，抗酸染色和qPCR檢測到細菌定植，且表皮結構破壞，真皮成纖維細胞侵入表皮層，表明SKOs可模擬CTB的病理特征。

Mtb感染誘導ECM重塑與皮膚纖維化

scRNA-seq發現Mtb感染后成纖維細胞比例增加，膠原基因（COL1A2、COL3A1等）普遍上調，MMP2和MMP14在成纖維細胞中高表達。Masson染色和免疫組化證實膠原沉積顯著增加，提示ECM降解與合成失衡導致纖維化。

神經細胞與脂肪細胞減少涉及壞死性凋亡通路

感染后神經元和脂肪細胞比例下降，神經細胞中神經退行性通路激活，脂肪細胞壞死性凋亡相關基因富集。免疫熒光顯示脂代謝關鍵分子PTGDS下調，蛋白酶體亞基PSMD7上調，表明Mtb感染可能通過代謝紊亂和氧化損傷破壞皮膚附屬結構。

PI3K-AKT-AP1通路驅動纖維化

成纖維細胞亞群分析顯示EGR1⁺成纖維細胞比例增加，PI3K-AKT通路基因顯著富集。抑制劑LY294002處理可降低磷酸化AKT（p-AKT）水平，并抑制α-SMA（ACTA2）和纖連蛋白（FN1）表達。

同時，AP1家族成員（如c-FOS、c-JUN）在感染后上調，抑制劑T5224處理可逆轉膠原沉積，證實PI3K-AKT-AP1軸在纖維化中的核心作用。

結論與意義

該研究首次利用hiPSCs衍生的SKOs構建了CTB病理模型，揭示了Mtb感染通過PI3K-AKT-AP1通路促進成纖維細胞活化和ECM重塑的機制。盡管模型缺乏免疫細胞和血管結構，但其在模擬皮膚復雜結構和宿主-病原體相互作用方面具有顯著優勢。研究發現不僅為CTB的抗纖維化治療提供了新靶點（如局部應用AP1或PI3K-AKT抑制劑），也凸顯了類器官技術在感染性疾病研究中的廣泛應用前景。未來通過引入免疫細胞或血管化改進模型，有望更全面揭示CTB的免疫病理機制。