《Cells》：An Innovative Bioengineering Approach to Investigate the Response of Melanin-Rich Cells to Intense Pulsed Light (IPL)
Kirsty Goncalves,
Kous Shah,
Victoria Maltman,
Yuwen Chen,
Nicole Barrett,
Georgia Abraham,
Ilaria Ambrogio,
Teresa DiColandrea,
John Snowball and
Stefan Przyborski
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基于光的治疗正日益成为主流，不仅在医学科学领域，也在美容皮肤病学和毛发护理领域。强脉冲光（Intense Pulsed Light, IPL）利用天然生色团——黑色素吸收光能的特性，将其转化为热能，从而导致富含黑色素的细胞发生靶向热分解（thermolysis
基于光的治疗正日益成为主流，不仅在医学科学领域，也在美容皮肤病学和毛发护理领域。强脉冲光（Intense Pulsed Light, IPL）利用天然生色团——黑色素吸收光能的特性，将其转化为热能，从而导致富含黑色素的细胞发生靶向热分解（thermolysis）。这种机制途径适用于广泛的应用，包括长期脱毛、皮肤年轻化、治疗不良色素沉着以及眼科疾病。用于递送IPL介导的脱毛的家庭使用设备（Home Use Devices, HUDs）的发展，促进了光热治疗的自我施用，并减少了对临床环境的依赖。在这项研究中，研究人员展示了一种开创性的方法，用于在复杂的人类皮肤组织等效物中模拟IPL诱导的热诱导和选择性热分解的各个方面。该研究采用了一台安全功能失效的失活HUD，允许将组织构建体暴露于高能量密度的IPL下。研究人员证明了在极端治疗方案后，与细胞温度升高、凋亡诱导和促炎细胞因子释放增加一致的生物标志物有所增加，所有这些都与递送的能量密度（fluence）和/或IPL脉冲数量的增加相关。该方法允许识别由增加的能量密度和极端暴露方案引发的细胞事件。
研究人员针对当前光疗研究领域的局限性，开发了一种创新的体外生物工程平台，利用富含黑色素的色素性人体皮肤等效模型（Pigmented Human Skin Equivalent, PHSE）模拟强脉冲光（IPL）治疗的细胞分子机制。这项研究由Kirsty Goncalves、Stefan Przyborski及其团队完成，并发表在《Cells》期刊上。研究通过改造家用设备（HUD）实现体外高能量密度照射，揭示了IPL引起细胞热休克、凋亡及炎症反应的详细通路，为脱毛及色素性疾病治疗的体外筛选提供了新工具。
为实现上述目标，研究人员采用了几项关键技术方法：首先构建了包含真皮成纤维细胞、角质形成细胞和黑色素细胞的PHSE模型；其次通过定制去激活夹具改装Braun Silk Expert Pro 5设备，绕过接触传感器实现体外脉冲发射；随后结合能量计测量实际接收能量；最后通过酶联免疫吸附试验（ELISA）、多重细胞因子分析、末端脱氧核苷酸转移酶介导的dUTP缺口末端标记（TUNEL）法及免疫荧光等多种手段检测细胞反应。
研究结果
1. 体外强脉冲光（IPL）的递送
研究人员成功建立了体外IPL递送系统。通过将PHSE置于培养皿中并使用改装后的HUD直接接触照射，确保了消费者相关的治疗体验。能量测量显示，尽管聚苯乙烯培养皿和Alvetex?支架造成了约12.5%的能量损失，且完整组织构建体（PHSE）进一步散射和吸收导致总损失约25%，但直接接触式照射有效减少了环境光散射，使组织接收了接近设备输出的完整能量密度。
2. 细胞温度随IPL治疗升高
通过对热休克蛋白70（Hsp70，表达于38–41 °C）和cleaved caspase 3（表达于>41 °C）的免疫检测发现，随着IPL能量密度（3.24至6.07 Jcm?2）的增加，基底层的这些生物标志物表达显著上调。此外，多次低能量脉冲（连续5次或为期两周的慢性暴露）同样诱导了cleaved caspase 3活性的显著增加。这表明IPL被黑色素吸收后转化为热能，导致细胞温度升高并达到引发凋亡的阈值。
3. IPL诱导黑色素富集细胞的选择性热分解
Fontana–Masson染色和黑色素指数（Melanin Index, MI）测量显示，随着能量密度增加，表皮黑色素分布显著减少。通过酪氨酸酶相关蛋白1（TRP1）免疫荧光定量分析黑色素细胞密度，发现其随能量密度和脉冲次数增加而显著降低。组织学分析显示，多次脉冲后表皮与真皮分离形成水疱样结构，且K14与K10的表达模式紊乱。TUNEL assay和MTT细胞活性检测进一步证实了剂量依赖性的细胞凋亡和代谢活性丧失，表明IPL对黑色素富集的角质形成细胞和黑色素细胞均产生了靶向破坏。
4. IPL相关的炎症反应
高能量密度IPL处理后，PHSE表现出典型的炎症特征。组织切片显示中等能量密度下表皮增厚，而高能量密度下变薄，同时核因子κB（NFκB）表达上调。多重细胞因子分析显示，粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）、干扰素γ（IFNγ）、白细胞介素-8（IL-8）、肿瘤坏死因子α（TNFα）等促炎因子分泌显著增加，而抗炎因子IL-10也随之升高以尝试恢复稳态。有趣的是，尽管黑色素细胞数量减少，但标准化后的黑色素指数升高，提示剩余黑色素细胞可能处于高活性状态，这与促炎因子驱动的色素沉着机制相符。
结论与讨论
该研究成功展示了利用生物工程黑色素富集组织构建体作为平台技术，探究细胞对IPL反应的独特应用。研究证实PHSE能够模拟体内生物学过程，从能量吸收、温度升高到最终的热分解和凋亡，呈现出清晰的剂量依赖性。这一模型弥补了传统二维细胞培养和离体毛囊实验在复杂性和预测能力上的不足，为临床前高通量筛选提供了可能。此外，研究还揭示了极端IPL暴露下促炎介质的表达机制，为理解炎症后色素沉着过度提供了体外依据。尽管该模型缺乏毛囊附件，无法直接模拟经由毛干的热传导，但其对细胞内过程的解析仍具有重要价值。该研究强调了HUD安全功能的重要性，并证明该平台可用于评估外用制剂或优化治疗方案，以减少不良反应。
