基于性腺/表皮芯片的仿生性别特异性人类皮肤模型研究

为解决传统皮肤模型难以模拟人类皮肤性别特异性特征的问题，研究人员开发了一种基于性腺/表皮芯片（gonads/epidermis-on-a-chip）的仿生模型，整合离体培养的人表皮组织与性腺细胞聚集体，揭示了雌二醇（estradiol）促进角质形成细胞（KCs）增殖并抑制凋亡、睾酮（testosterone）诱导表皮过度角化的调控机制。该研究为化妆品和生物医学领域提供了高可信度的性别特异性皮肤研究平台。

　　

皮肤作为人体最大的器官，其生理和病理机制研究长期受限于传统模型的不足：二维培养缺乏空间结构，三维模型难以模拟动态激素环境，而动物实验存在物种差异和伦理问题。尤其值得注意的是，性别特异性特征——如男性皮肤更厚、女性修复能力更强——与性激素调控密切相关，但现有皮肤芯片模型却鲜少涉及这一关键维度。

针对这一挑战，南京鼓楼医院的研究团队在《Bioactive Materials》发表了一项突破性研究。他们创新性地将离体培养的人表皮组织与性腺细胞聚集体（TM3睾丸间质细胞和KGN卵巢颗粒细胞）整合到微流控芯片中，构建了全球首个能动态模拟性别特异性激素环境的"性腺/表皮芯片"模型。通过该平台，研究人员首次在体外重现了人类皮肤对性激素的梯度响应，为揭示性别差异的分子机制提供了全新工具。

研究团队运用三项核心技术：1）微流控芯片设计，包含倾斜45°的微孔阵列促进性腺细胞聚集体形成；2）圣诞树结构浓度梯度生成模块，实现雌二醇/睾酮的精确比例调控；3）气-液界面培养系统维持离体表皮的生理状态。实验采用乳腺癌切除术捐赠的人胸部皮肤样本，通过dispase酶分离表皮进行培养。

结果与讨论

性激素分泌单元的建立

TM3和KGN细胞在微孔中48小时内形成高活性聚集体，持续分泌睾酮（0.07-0.95 ng/mL）和雌二醇（0.15-1.52 ng/mL），浓度覆盖生理范围。活死染色显示聚集体存活率>90%，且激素分泌量随时间线性增加。

离体表皮培养单元的构建

通过红蓝墨水验证的"圣诞树"微通道成功产生10级浓度梯度。H&E染色证实表皮在芯片中保持24小时的结构完整性，但72小时后出现凋亡，因此选择24小时作为实验窗口期。

性激素对2D培养角质形成细胞的调控

CCK8和Ki67检测显示，高浓度睾酮（T-G7至T-G10）抑制KC增殖，而雌二醇/睾酮组合（Mix-G5至Mix-G9）显著促进增殖。TUNEL实验证实雌二醇通过降低ROS水平抑制H₂O₂诱导的凋亡，睾酮则加剧细胞死亡。

芯片模型揭示的表皮性别差异

Ki67免疫荧光显示：雌二醇剂量依赖性促进基底层KC增殖（E2-G7至E2-G10组增加2.1倍），低浓度睾酮（T-G2/T-G3）轻微促进但高浓度抑制。H&E染色发现睾酮增加海绵水肿（spongiosis），提示其可能提升表皮损伤敏感性。

分化标志物K10/K14的调控

睾酮显著上调终末分化标志物K10表达（T-G10组增加3.2倍），雌二醇则促进未分化标志物K14并抑制K10。在混合激素组，睾酮的主导作用使K14/K10比值随睾酮浓度升高而下降，解释男性表皮更厚的现象。

这项研究首次在微流控平台上实现了人类表皮与性腺组织的功能性耦合，揭示雌二醇通过ERα受体促进KC增殖、睾酮通过AR受体驱动分化的拮抗作用。该模型不仅为化妆品性别差异化开发（如抗衰老/控油产品）提供精准测试平台，更在医学领域具有多重价值：1）模拟激素紊乱相关皮肤病（如痤疮、银屑病）；2）优化性别特异性伤口敷料；3）替代动物实验评估激素类药物皮肤毒性。未来整合真皮层和免疫细胞后，有望成为研究皮肤衰老、自身免疫疾病和经皮给药的金标准模型。

值得注意的是，当前模型仍存在三个局限：使用小鼠TM3细胞可能与人激素存在种属差异；缺乏真皮-表皮相互作用；未引入血管网络。研究团队建议后续采用人源Leydig细胞、共培养成纤维细胞及嵌入式TEER传感器进行升级，这将极大提升模型的生理相关性和转化医学价值。