人源多能干细胞衍生的皮肤类器官构建结核分枝杆菌感染病理模型揭示PI3K-AKT-AP1通路驱动皮肤纤维化新机制

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

本研究针对皮肤结核（CTB）缺乏可靠体外模型的瓶颈，利用人诱导多能干细胞（hiPSCs）构建了含毛囊、脂肪细胞和神经结构的皮肤类器官（SKOs），成功模拟结核分枝杆菌（Mtb）感染引起的皮肤纤维化病理过程。单细胞转录组分析发现Mtb感染通过激活成纤维细胞中PI3K-AKT信号通路和转录因子AP1，上调胶原合成基因（如COL1A1、COL3A1）及基质金属蛋白酶（MMP2/MMP14），导致细胞外基质（ECM）重塑和纤维化。研究证实抑制PI3K-AKT或AP1可缓解纤维化，为CTB的抗纤维化治疗提供了新靶点。该模型为研究皮肤感染病理机制及药物筛选提供了重要平台。

　　

结核病（Tuberculosis, TB）是由结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis, Mtb）引起的一种古老传染病，至今仍在许多发展中国家流行。除常见的肺结核外，肺外结核占比可达8%-24%，其中皮肤结核（Cutaneous Tuberculosis, CTB）约占1.5%-3%。CTB病变常伴随肉芽肿形成和细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）重塑导致的纤维化，但因其症状隐匿、诊断延迟，且缺乏能够模拟人类皮肤复杂结构的体外模型，其病理机制研究进展缓慢。尤其成纤维细胞在纤维化过程中的具体作用尚不明确。

为解决这一难题，军事医学科学院等单位的研究团队在《Nature Communications》发表最新研究，利用人诱导多能干细胞（human induced pluripotent stem cells, hiPSCs）成功构建了包含毛囊、皮脂腺、脂肪细胞和神经结构的皮肤类器官（Skin Organoids, SKOs），并以此为基础建立了Mtb感染模型。该模型通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）、免疫荧光染色、组织化学分析等多维度技术，揭示了Mtb感染诱导皮肤纤维化的关键机制，发现PI3K-AKT信号通路和转录因子AP1的激活是驱动胶原沉积的核心因素，为CTB的抗纤维化治疗提供了新思路。

关键技术方法

研究采用hiPSCs分化为皮肤类器官（SKOs）的技术，通过130天培养获得具有多层表皮、真皮、毛囊和脂肪细胞的结构。利用结核分枝杆菌H37Rv株感染SKOs模拟皮肤结核，通过单细胞RNA测序分析细胞类型变化，结合免疫组化、Masson染色、qPCR、Western blot等技术评估纤维化相关基因和蛋白表达。使用PI3K抑制剂LY294002/Wortmannin和AP1抑制剂T5224/SR11302进行干预实验，验证靶点功能。

研究结果

SKOs成功模拟人体皮肤结构并支持Mtb感染

研究通过hiPSCs分化获得成熟SKOs，其表达角蛋白5（KRT5）、波形蛋白（Vimentin）等皮肤标志物，并含有I型、III型和IV型胶原。

Mtb感染9天后，抗酸染色和qPCR检测到细菌定植，且表皮结构破坏，真皮成纤维细胞侵入表皮层，表明SKOs可模拟CTB的病理特征。

Mtb感染诱导ECM重塑与皮肤纤维化

scRNA-seq发现Mtb感染后成纤维细胞比例增加，胶原基因（COL1A2、COL3A1等）普遍上调，MMP2和MMP14在成纤维细胞中高表达。Masson染色和免疫组化证实胶原沉积显著增加，提示ECM降解与合成失衡导致纤维化。

神经细胞与脂肪细胞减少涉及坏死性凋亡通路

感染后神经元和脂肪细胞比例下降，神经细胞中神经退行性通路激活，脂肪细胞坏死性凋亡相关基因富集。免疫荧光显示脂代谢关键分子PTGDS下调，蛋白酶体亚基PSMD7上调，表明Mtb感染可能通过代谢紊乱和氧化损伤破坏皮肤附属结构。

PI3K-AKT-AP1通路驱动纤维化

成纤维细胞亚群分析显示EGR1⁺成纤维细胞比例增加，PI3K-AKT通路基因显著富集。抑制剂LY294002处理可降低磷酸化AKT（p-AKT）水平，并抑制α-SMA（ACTA2）和纤连蛋白（FN1）表达。

同时，AP1家族成员（如c-FOS、c-JUN）在感染后上调，抑制剂T5224处理可逆转胶原沉积，证实PI3K-AKT-AP1轴在纤维化中的核心作用。

结论与意义

该研究首次利用hiPSCs衍生的SKOs构建了CTB病理模型，揭示了Mtb感染通过PI3K-AKT-AP1通路促进成纤维细胞活化和ECM重塑的机制。尽管模型缺乏免疫细胞和血管结构，但其在模拟皮肤复杂结构和宿主-病原体相互作用方面具有显著优势。研究发现不仅为CTB的抗纤维化治疗提供了新靶点（如局部应用AP1或PI3K-AKT抑制剂），也凸显了类器官技术在感染性疾病研究中的广泛应用前景。未来通过引入免疫细胞或血管化改进模型，有望更全面揭示CTB的免疫病理机制。