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Advanced Science|皮肤类器官治疗局限性硬皮样病

时间:2023-02-17 10:47:31 浏览次数:382

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局限性硬皮样病(Localized Scleroderma,LOS)是一类自身免疫性皮肤疾病,发病率为27/1000000,发病高峰在20~40岁,女性发病率高于男性6倍。越来越多的科研工作者关注于此疾病的研究,探索出有效的治疗策略。

 

作为人体重要的器官,皮肤行使诸多功能:

1.保护 :保护免受脱水、微生物、创伤、紫外线辐射。

2.感觉 :感觉和识别疼痛、触摸/压力、温度、热和冷。

3.温度调节 :释放或保存热量。

4.免疫力 :皮肤免疫细胞。

5.排泄 :排出尿酸、氨、尿素和多余的水分。

6.内分泌 :皮肤有助于维生素D的合成。

7.吸收 :皮肤能够吸收必要的物质,如氮和氧。

8.防水:皮肤外层覆盖着营养物质和油脂。

 

皮肤中有多种免疫细胞(图1):朗格汉斯细胞、角质形成细胞、CD8+T细胞、浆细胞样树突状细胞、真皮树突状细胞、CD4+Th1细胞、CD4+Th2细胞、CD4+Th17细胞、γδ细胞、NKT细胞、巨大细胞、巨噬细胞。

 

图1示:皮肤免疫细胞(图片来源:(Nestle, Di Meglio et al. 2009))

 

当这些免疫细胞识别的抗原来自自身皮肤细胞,造成免疫细胞对健康皮肤细胞的破坏,导致自身免疫性皮肤疾病,例如:硬皮病、银屑藓、大疱性表皮松懈症、大疱性类天疱疮、红斑狼疮、皮肌炎、白塞氏病等。

 

LOS是一种罕见的慢性结缔组织病,主要发生在皮肤和/或下层组织,其特点是皮肤增厚、斑块变形、皮肤坚硬发亮,累及真皮浅层至筋膜和肌肉。它有三个病理特征:血管病变、免疫系统异常和纤维化。在皮损中可以观察到萎缩的汗腺、大疱性皮损和皮层交界处坏死的角质细胞。LOS通常发生在儿童和青少年,平均年龄为4.6-8.7岁。

 

LOS(图2)的遗传因素包括HLA亚型、镶嵌现象、并发自身免疫疾病、自身免疫疾病家族史。表观遗传因素包括:microRNA、组蛋白修饰和DNA甲基化。环境因素包括:精神创伤/手术、反复摩擦、注射/疫苗、昆虫叮咬、射线、药物。角质形成细胞、T细胞活化,产生TGF-β、TNF-α、PDGF、FGF、FLI-1、ET-1、fibrillin-1、α-MSH、IL-1、IL-2、IL-4、IL-6、IL-8、IL-12、IL-13、IL-17、IFN-α、IFN-γ、S100A9。这些因子通过TLR-4导致纤维母细胞增殖。角质形成细胞通过Wnt、Sonic hedgehog和Jagged-Notch信号通路与内皮细胞、纤维母细胞相互作用。内皮细胞活化导致细胞因子和粘附分子的分泌,这些因子进而导致免疫细胞产生纤维化生长因子,刺激成纤维细胞活化、增殖和分化,造成进行性纤维化。

 

图2示LOS发病机制(图片来源:(Snarskaya and Vasileva 2022))

 

2022年3月22日,中国医学科学院/北京协和医院冷泠,张抒扬及国家应急防控药物工程技术研究中心钟武共同通讯在《Advanced Science》杂志上发表了题为“Application of an iPSC-Derived Organoid Model for Localized Scleroderma Therapy”的研究论文 (Ma, Li et al. 2022),该研究建立了LOS皮肤的蛋白质组图谱,并对LOS皮肤的病理特征进行了表征,建立了人类诱导的多能干细胞来源的上皮和间充质(EM)类器官模型。

 

通过博莱霉素注射一个月建立了LOS小鼠模型,以模拟其病理特征(图3)。从宏观角度看,皮肤颜色较浅,局限性皮损硬化和萎缩,中心略微凹陷。组织病理学显示真皮层有广泛的坏死,真皮层的胶原束中有密集的炎症浸润物。α平滑肌肌动蛋白(αSMA)、纤维蛋白1(FBN1)和波形蛋白(VIM)在LOS皮肤的真皮层中高度表达,这些蛋白通常用于识别病理性成纤维细胞和肌成纤维细胞。

 

图3示LOS模型构建和病理特征。(图片来源:(Ma, Li et al. 2022))

 

接下来,用定量蛋白质组学方法来分析LOS皮肤组织的病理特征(图4)。生物学过程分析显示,上调的蛋白质高度富集于肌肉的牵引和发育、肌纤维组装和伤口愈合,包括止血、肌纤维溶解、炎症和免疫反应,表明LOS皮肤表现出肌纤维坏死和炎症浸润。

 

图4示蛋白质组学数据分析结果。(图片来源:(Ma, Li et al. 2022))

 

应用人类iPSCs来构建类器官(图5)。将iPSCs聚集在U型底96孔板上后,在基质胶中培养这些聚合物,并辅以骨形态发生蛋白4(BMP4)、SB431542(一种TGFβ抑制剂)和碱性成纤维细胞生长因子(FGF),经过3天的分化,用LDN-193189(一种BMP抑制剂)和FGF处理有机体,并在摇床上培养。16天后,组织体表达了外皮标志物(TFAP2A+ECAD+),此外颅骨神经嵴细胞的两个亚型出现了中胚层(PDGFα+)和神经胶质标记(SOX10+P75+)。对此类器官进行单细胞RNA测序,包括8种细胞类型:间充质干细胞、上皮细胞、神经干/祖细胞、神经内皮细胞、神经上皮细胞、神经元、胶质细胞和胚细胞。

 

图5示iPSC来源的EM类器官的构建和细胞学分析。(图片来源:(Ma, Li et al. 2022))

 

LOS模型小鼠被移植到类器官一个月,对皮肤进行蛋白质组学分析(图6)。在LOS皮肤中上调的蛋白,治疗后下调。这些蛋白在肌肉收缩和发育、肌纤维装配和ATP代谢等生物过程中高度富集,表明肌肉纤维化在类器官治疗后得到有效改善。病理染色结果也显示,类器官治疗后,LOS皮肤组织中的纤维变性标志物(α-SMA、VIM、EN1)表达明显下调,细胞因子(IL1、IL6、IL12、TNFα、CXCL12)表达明显下降。

图6示EM类器官挽救LOS皮肤纤维化和炎症。(图片来源:(Ma, Li et al. 2022))

 

免疫荧光染色显示(图7)LOS皮肤的成熟表皮标志物(KRT10)和表皮干细胞标志物(KRT14和TP63)的表达水平下降,这些蛋白在治疗组恢复到正常水平。此外,LOS皮肤萎缩的KRT19+汗腺在类器官治疗组比未治疗组恢复到正常水平。类器官治疗后的LOS皮肤组织中的血管也得到了再生。内皮细胞粘附标志物(CD31、ITGB1、MMP9)的表达在治疗组上升。

 

图7示免疫荧光染色结果图和皮肤血管成像。(图片来源:(Ma, Li et al. 2022))

 

总之,本研究提供了明确的证据,证明应用iPSC衍生的EM类器官可以促进LOS皮肤功能的恢复,从再生医学的角度揭示了治疗LOS新的可行方法。

 

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参考文献:

Ma, J., W. Li, R. Cao, D. Gao, Q. Zhang, X. Li, B. Li, L. Lv, M. Li, J. Jiang, Y. Wang, J. Li, Z. Wu, Y. Zhu, W. Zhong, S. Zhang and L. Leng (2022). "Application of an iPSC-Derived Organoid Model for Localized Scleroderma Therapy." Adv Sci (Weinh) 9(16): e2106075. DOI: 10.1002/advs.202106075.

Nestle, F. O., P. Di Meglio, J. Z. Qin and B. J. Nickoloff (2009). "Skin immune sentinels in health and disease." Nat Rev Immunol 9(10): 679-691. DOI: 10.1038/nri2622.

Snarskaya, E. S. and K. D. Vasileva (2022). "Localized scleroderma: actual insights and new biomarkers." Int J Dermatol 61(6): 667-674. DOI: 10.1111/ijd.15811.

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