iPSC 发力皮肤工程！衍生细胞构建全层皮肤模型，结构功能媲美天然皮肤

体外皮肤模型是研究皮肤生物学和疾病的重要工具，但原代细胞存在批次差异、永生化细胞功能异常等问题。诱导多能干细胞(iPSC)衍生的细胞可提供稳定且功能接近天然的细胞来源，但其在构建完整皮肤模型中的应用仍需优化。在此背景下，来自英国杜伦大学团队在《Cells》(2025, 14:1044)发表研究，首次证实 iPSC 衍生的成纤维细胞(iDFs)可构建与原代成纤维细胞相似的真皮等效物，该真皮结构能支持表皮分化，形成具有完整层次的全层皮肤模型，其标志物表达和结构与天然皮肤高度一致，为个性化皮肤模型构建和疾病研究提供了可靠工具。

本研究旨在利用 iPSC 衍生的成纤维细胞构建功能稳定的真皮等效物，并验证其支持表皮形成的能力。通过将 iPSC 分化为成纤维细胞(iDFs)，检测其表型与原代人真皮成纤维细胞(HDFns)的一致性;利用 3D 支架培养 iDFs 构建真皮模型，分析其细胞增殖、 extracellular 基质(ECM)沉积;随后接种原代角质形成细胞，评估全层皮肤模型的表皮分化和结构完整性。结果显示，iDFs 能形成类似 HDFns 的真皮结构，支持表皮分层分化，关键标志物(如角蛋白 10、14、兜甲蛋白)定位正确，为 iPSC 在皮肤工程中的应用提供了实验依据。

研究背景

体外皮肤模型依赖于合适的细胞来源、支架和生长因子。原代细胞虽功能接近天然，但需反复分离，存在批次差异;永生化细胞虽稳定，但常因基因突变导致功能异常。iPSC 可无限增殖且能分化为功能接近原代的细胞，是理想的替代来源。

此前的 iPSC 皮肤模型存在表皮结构不完整、分化标志物表达异常等问题，部分模型缺乏天然皮肤的层次结构。本研究聚焦 iPSC 衍生的成纤维细胞，旨在构建能支持表皮正常分化的真皮等效物，解决现有模型的结构和功能缺陷，为构建更接近天然的全层皮肤模型奠定基础。

实验结果

图 1：iPSC 衍生成纤维细胞(iDFs)的表型与原代细胞相似

该图验证 iDFs 的成纤维细胞特性：免疫荧光显示，iDFs 不表达多能性标志物 Oct4(排除干细胞表型)，但高表达增殖标志物 Ki67 及成纤维细胞特异性标志物 vimentin、N - 钙粘蛋白、CD90，与原代 HDFns 表型一致。流式细胞术进一步证实 iDFs 不表达 Oct4，vimentin 阳性率高，α- 平滑肌肌动蛋白表达低，且在原代细胞培养基(M106)中仍维持该表型。生长曲线显示，iDFs 在 M106 中可增殖，群体倍增时间(31.1 h)略长于其推荐培养基(DMEM，27.9 h)，但细胞数量随时间稳定增加，表明其适应原代细胞培养体系。

图 2：iDFs 在支架中迁移形成三维真皮结构

该图显示 iDFs 在 4 周培养期内迁移进入多孔支架，在支架上下层形成细胞层，与 HDFns 构建的真皮模型结构相似。免疫荧光显示 vimentin 阳性细胞遍布整个支架，证实细胞成功填充孔隙。两种培养基(DMEM 和 M106)均能支持真皮结构形成，为与原代模型直接对比，后续实验选用 M106 培养基。

图 3：iDFs 的细胞增殖与 extracellular 基质沉积

该图对比 iDFs 与 HDFns 真皮模型的动态变化：iDFs 数量随培养时间增加，但始终约为同期 HDFns 的 1/2，支架边缘细胞层数较少。免疫荧光和定量分析显示，iDFs 模型中胶原 I 分布均匀，羟脯氨酸检测(总胶原)显示其含量与 HDFns 模型无显著差异，且随时间稳步增加。纤连蛋白通过免疫荧光和 ELISA 检测，其在 iDFs 模型中的沉积量与 HDFns 模型相近，表明尽管细胞数量较少，iDFs 仍能有效合成关键 ECM 成分。

图 4：iDFs 真皮模型支持全层皮肤结构形成

该图验证 iDFs 真皮模型对表皮的支持能力：接种原代角质形成细胞后，iDFs 模型形成具有极性基底层和角质层的表皮，H&E 染色显示其结构与 HDFns 模型及天然皮肤相似(虽整体略薄)。免疫荧光显示，基底层特异性角蛋白 14 和棘层特异性角蛋白 10 定位正确，表明表皮分层分化正常;屏障蛋白(兜甲蛋白、 involucrin、periplakin)定位于上层，连接蛋白(E - 钙粘蛋白、Claudin-1、Connexin 43)表达正常，证实表皮屏障功能完整;基底层 Ki67(增殖标志物)和 p63(干细胞标志物)阳性，表明其维持增殖能力，与天然皮肤一致。

讨论

本研究首次证实 iPSC 衍生的成纤维细胞可替代原代细胞构建功能稳定的真皮等效物，解决了原代细胞批次差异和永生化细胞功能异常的问题。与此前 iPSC 皮肤模型相比，本模型优势在于：① 真皮结构依赖内源性 ECM，未使用外源性蛋白基质，更贴近天然皮肤微环境;② 表皮分层清晰，屏障蛋白和连接蛋白定位准确，克服了部分模型表皮结构紊乱的缺陷。

局限性包括：ECM 成分分析可进一步通过蛋白质组学深化;模型仅包含成纤维细胞和角质形成细胞，未来可加入黑素细胞、免疫细胞等，甚至构建含皮肤附属器的复杂模型。此外，使用原代角质形成细胞限制了模型的全 iPSC 来源，下一步可尝试 iPSC 衍生角质形成细胞，实现完全个性化皮肤模型。

研究结论

iPSC 衍生的成纤维细胞(iDFs)表型与原代人真皮成纤维细胞一致，可在 3D 支架中形成具有内源性 ECM 的真皮等效物，其胶原 I 和纤连蛋白沉积量与原代模型相近。该真皮结构能支持原代角质形成细胞分化，形成分层完整、标志物定位正确的全层皮肤模型，结构与功能接近天然皮肤。本研究为利用 iPSC 构建个性化皮肤模型、研究皮肤疾病及筛选药物提供了可靠方法。