《Journal of Genetics and Genomics》：Fibroblast-directed melanocyte recruitment via Cxcl12–Cxcr4 axis promotes post-inflammatory hyperpigmentation and skin barrier protection in zebrafish
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炎症后色素沉着（PIH）的病理机制涉及黑色素细胞异常迁移，本研究通过斑马鱼模型发现成纤维细胞分泌CXCL12a招募黑色素细胞至炎症部位，该过程不依赖免疫细胞，且AMD3100可抑制该信号轴从而治疗PIH。研究揭示黑色素细胞在皮肤修复中具有抵御紫外线和微生物的双重屏障作用，并证实CXCL12-CXCR4轴在PIH及瘢痕相关疾病中的治疗潜力。
赵世正|李思|张晨宇良|唐铮|张敖|黄聪|程克凡|余涛|闫燕|文子龙
深圳北京大学-香港科技大学医学中心生物医学研究所，中国广东省深圳市518036
摘要
炎症后色素沉着（PIH）是一种常见的皮肤疾病，其特征是出现棕色或黑色的斑块。它可以分为暂时性的，通常在6-12个月内消退；或者永久性的，持续多年。虽然PIH的发病机制通常与局部黑色素细胞的过度激活有关，但这种失调的精确细胞和分子基础及其生理意义仍不清楚。通过使用乙酸诱导的斑马鱼模型，我们发现黑色素细胞的迁移是色素沉着的关键驱动因素。这一过程独立于免疫细胞，而是由成纤维细胞驱动的，成纤维细胞分泌Cxcl12a通过Cxcl12a–Cxcr4a轴招募黑色素细胞。成纤维细胞的消除会不可逆地破坏黑色素细胞的分布模式，表明异常的成纤维细胞活动决定了PIH的持久性。被招募的黑色素细胞形成了双重保护屏障，抵御紫外线引起的DNA损伤和微生物入侵。这一机制的转化相关性在于，人类PIH相关疾病（如瘢痕疙瘩、痤疮和特应性皮炎）的成纤维细胞中CXCL12表达上调。在治疗方面，FDA批准的CXCR4拮抗剂AMD3100（Plerixafor）在我们的模型中能有效预防和治疗PIH。我们的发现阐明了PIH中黑色素细胞招募的成纤维细胞介导机制，揭示了黑色素细胞在皮肤修复中的先前未被重视的保护功能，并提出了一种有前景的重新利用的治疗策略。
引言
炎症后色素沉着（PIH）是指皮肤在炎症或损伤后出现色素沉着的情况，是从痤疮到病理性瘢痕形成等多种疾病中的常见后遗症（Chaowattanapanit等，2017；Markiewicz等，2022；Mar等，2024）。根据其持续时间，PIH可以分为暂时性的（通常在6-12个月内消退）或永久性的（持续多年甚至几十年）（Lawrence等，2023）。PIH消退差异的潜在原因尚不完全清楚。值得注意的是，在某些病理情况下，如瘢痕疙瘩和其他色素沉着性瘢痕中，PIH不仅伴随着过量的黑色素沉积，还伴随着病变部位黑色素细胞密度的显著增加（Wihastyoko等，2021；Shen等，2022；Shi等，2025）。这一观察结果挑战了传统观点，即PIH仅由驻留黑色素细胞的过度激活和黑色素合成增加引起（Chaowattanapanit等，2017；Markiewicz等，2022；Mar等，2024）。尽管某些炎症介质（如前列腺素和白细胞介素）已知能增强黑色素细胞的酪氨酸酶活性并促进黑色素生成（Wang等，2023），但在色素沉着性瘢痕（如瘢痕疙瘩）中黑色素细胞积累的机制仍不清楚。鉴于成纤维细胞在瘢痕疙瘩发病机制中的作用，以及这些病变中黑色素细胞的异常聚集（Betalbet等，2020；Ekstein等，2021；Shen等，2022），这一知识空白尤为重要。因此，阐明黑色素细胞如何被招募到炎症部位及其功能贡献可能揭示PIH的治疗靶点，尤其是在持续性和难治性情况下，如瘢痕疙瘩。
黑色素细胞起源于神经外胚层，具有树突状形态，广泛分布于人体表皮和毛囊中。它们通过酪氨酸酶合成黑色素，并通过黑色素小体将黑色素转移到皮肤表面的角质形成细胞上（Mort等，2015）。虽然黑色素细胞的经典功能是保护皮肤免受紫外线辐射，但越来越多的证据表明它们还具有更广泛的组织特异性功能。例如，内耳的黑色素细胞通过分泌前列腺素D2来调节听觉（Tachibana，1999；Zhang等，2012）。软脑膜的黑色素细胞具有神经内分泌功能，通过分泌前列腺素D2来调节睡眠（Takeda等，2007）。据报道，黑色素细胞还分泌多种细胞因子，如IL-1、IL-3、IL-6、TNF-α和GM-CSF（Miniati等，2014），并且可以通过体外呈递抗原来促进CD4+ T细胞的增殖（Le Poole等，1993）。这些发现突显了黑色素细胞的功能多样性。然而，黑色素细胞在病理反应或炎症部位积聚时是否获得非经典功能仍不清楚。
由于斑马鱼在体内成像、遗传易操作性和黑色素细胞发育保守性方面的独特优势，它成为研究黑色素细胞发育和功能的理想模型。与哺乳动物类似（Cui等，2023），斑马鱼的黑色素细胞直接来源于神经嵴细胞或神经嵴衍生的黑色素干细胞（MSCs）（Budi等，2008）。许多参与哺乳动物黑色素细胞发育的关键转录因子（包括Sox10、Mitf、Pax3和Foxd3）和信号通路（包括WNT、BMP和EDB通路）在斑马鱼中也起着类似的作用（White等，2008）。这种保守性表明我们从斑马鱼中学到的知识可能适用于哺乳动物。
在这项研究中，我们使用乙酸诱导的损伤建立了斑马鱼的PIH模型，并结合人类患者单细胞RNA测序数据集、时间序列成像、基因操作、细胞特异性消除和RNA测序来研究色素沉着的机制和生理意义。我们证明了PIH的发病机制涉及黑色素细胞向炎症部位的主动迁移，这一过程由成纤维细胞通过Cxcl12a–Cxcr4a信号轴调控。重要的是，对人类单细胞RNA测序数据的分析显示，来自PIH相关疾病（包括瘢痕疙瘩、痤疮和特应性皮炎）患者的成纤维细胞中CXCL12表达上调，支持了这一机制的进化保守性。此外，通过靶向消除成纤维细胞，我们提供了证据表明早期破坏成纤维细胞功能不仅会阻碍黑色素细胞的招募，还可能导致长期的色素沉着模式缺陷，从而为永久性PIH的潜在起源提供了见解。我们还发现，被招募的黑色素细胞在皮肤伤口愈合和再生过程中提供了双重保护，抵御紫外线引起的DNA损伤和微生物感染。最后，通过使用AMD3100进行药理抑制，我们证实靶向Cxcl12–Cxcr4轴可以有效抑制黑色素细胞迁移并减轻色素沉着，突显了其在PIH治疗中的治疗潜力。
部分摘要
乙酸腐蚀在斑马鱼中诱导类似PIH的病理变化
为了建立斑马鱼的炎症后色素沉着（PIH）模型，我们评估了多种诱导损伤的方法来引入皮肤病变，包括磷酸盐缓冲盐水（PBS）注射、大肠杆菌（E. coli）和海分枝杆菌（M. marinum）注射、珠子植入和酸腐蚀（Nguyen-Chi等，2014；Yan等，2014；Chen等，2018；Xiong等，2018）。病变在受精后2天（dpf）的胚胎中引入，这是胚胎发育的一个阶段
讨论
在这项研究中，我们建立了斑马鱼的PIH模型，并利用它来阐明控制黑色素细胞招募的分子机制及其生物学意义。我们还展示了AMD3100在预防和治疗PIH方面的临床潜力。
我们的研究表明，PIH在海分枝杆菌感染、珠子植入或乙酸暴露后发生，但在PBS注射或大肠杆菌注射后不会发生（图1A和S1A），这表明PIH的发病机制
斑马鱼的饲养和品系
斑马鱼在28.5°C的温度下，按照标准协议（Westerfield，2000）进行14小时光照/10小时黑暗的周期饲养。胚胎在自然产卵后收集，并在含有亚甲蓝的卵水中（0.5× E2培养基）中饲养。使用的品系包括：AB野生型、runx1w84x突变体（Jin等，2012）、irf8hkz26突变体（Yu等，2017）、cebpαhkz7突变体（Dai等，2016）、cxcr4aum20突变体（Siekmann等，2009）、cxcl12aszy205突变体、cxcr4bszy206突变体
未引用的参考文献
Barroso和Aguilera，2021；Betalbet和Blalock，2020；Cui和Man，2023；Eom和Parichy，2017；Kim和Kim，2024；Lamkanfi和Dixit，2014；Lawrence和Al Aboud，2023；Mar等，2024；Ramsey和McAlpine，2013；Trueb和Dias，2018；White和Zon，2008。
伦理声明
所有动物实验和程序均获得了深圳北京大学-香港科技大学医学中心和南方科技大学的实验动物福利伦理委员会的批准。
数据可用性
原始RNA-seq数据存储在中国国家生物信息中心的Big Sub数据库中，访问号为PRJCA058297，以及Gene Expression Omnibus数据库中，访问号为GSE302529。论文中得出结论所需的所有数据都包含在论文和/或补充材料中，可以根据合理请求向作者索取。
作者贡献声明
赵世正：概念构思、数据管理、正式分析、资金获取、初稿撰写。李思、张晨宇良、唐铮：数据管理、正式分析。张敖、黄聪、程克凡：验证、可视化。余涛、闫燕：监督。文子龙：概念构思、监督、资金获取、撰写 - 审稿与编辑。利益冲突
作者声明没有竞争利益。
致谢
我们感谢复旦大学公共卫生临床中心的颜波博士分享海分枝杆菌；感谢华南理工大学的王强博士慷慨提供未发表的cxcl12aszy205和cxcr4bszy206突变斑马鱼品系；感谢卡尔加里大学阿尔伯塔儿童医院研究所的黄鹏博士分享TgBAC(col1a2:Gal4;UAS:NTR-mCherry)转基因品系。本工作得到了
