《Frontiers in Pharmacology》：Revolutionizing transdermal drug delivery evaluation: the evolution from traditional models to skin organoids and the integration of artificial intelligence
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本综述审视了经皮给药系统（TDDS）评价体系的演进，以及皮肤类器官（SkOs）领域的最新进展。研究人员探讨了SkOs作为体外（in vitro）模型的潜力，特别关注其结构复杂性，以及相较于传统动物模型和重建人表皮（RHE），SkOs在更有效地重现皮肤附属器相关
本综述审视了经皮给药系统（TDDS）评价体系的演进，以及皮肤类器官（SkOs）领域的最新进展。研究人员探讨了SkOs作为体外（in vitro）模型的潜力，特别关注其结构复杂性，以及相较于传统动物模型和重建人表皮（RHE），SkOs在更有效地重现皮肤附属器相关转运通路方面的能力。研究人员还总结了当前SkOs的构建策略、生理学验证及其主要的转化应用局限性。此外，研究人员讨论了人工智能（AI）、计算机视觉和数字孪生技术如何可能有助于应对当前在标准化和质量控制方面的挑战。源自诱导多能干细胞（iPSC）的自组装SkOs代表了未来TDDS评价的一个有前景的候选进展。尽管在成熟度方面仍存在局限性，但SkOs与AI的整合可能支持开发一个更加标准化、高通量且具有预测性的经皮给药研究平台。
论文主体内容总结
2 经皮给药评价体系的演进
2.1 TDDS评价的历史阶段
TDDS评价的发展反映了方法学标准化与皮肤模型创新的协同演进。早期研究主要依赖探索性的体内（in vivo）皮肤吸收实验和相对零散的体外（in vitro）扩散方法，导致数据可比性有限，对人体皮肤渗透的预测价值较弱。随着Franz扩散池、体外透皮渗透试验（IVPT）、药典性能测试以及针对局部给药产品的特定生物等效性指南的逐步建立，TDDS评价已逐渐演变为一个更加定量化、可重复且具有监管相关性的实验框架。
1975年，Franz系统性地论述了体外经皮吸收数据与人体皮肤的相关性，并推动了扩散池方法在皮肤吸收研究中的应用，为现代IVPT奠定了重要的实验基础。2004年，经济合作与发展组织（OECD）发布TG 428指南，系统规定了体外皮肤吸收研究的关键要素，包括皮肤来源、样本制备、屏障完整性、接收液、温度控制、给药条件和质量平衡，使体外皮肤渗透研究进入标准化框架。美国药典（USP）<1724>将半固体制剂的体外性能测试纳入USP-NF体系。美国食品药品监督管理局（FDA）自2014年起在阿昔洛韦局部乳膏的产品特异性指南中首次推荐IVPT，并于2022年发布IVPT研究草案指南。欧洲药品管理局（EMA）于2024年通过并于2025年4月生效的局部给药产品质量与等效性指南，进一步细化了IVPT中供体数量、重复设计、皮肤完整性、表面温度、接收介质和统计接受标准等要求。
早期啮齿动物皮肤模型因角质层薄、毛囊密度高而常高估药物渗透。猪皮肤在形态上更接近人体皮肤，但角质层脂质组织、汗腺结构和附属器分布的差异仍限制其外推。离体（ex vivo）人皮肤长期被视为IVPT最具相关性的参考材料，但受限于组织可及性、供体变异性及长期活力丧失。去生物化的合成膜如Strat-M?可用于高通量制剂筛选，但缺乏动态角质层脂质组织、酶活性和细胞反应。三维重建人表皮（RHE）模型在皮肤毒理学和化妆品测试中取得显著成功，但缺乏完整真皮、毛囊、皮脂腺、血管和免疫组分。
2.2 监管突破：皮肤类器官的监管变革与转化机遇
皮肤模型演进的证据表明，TDDS评价的核心挑战正从能否测量体外渗透转向能否使用更具人体相关性、可重复性和可解释性的皮肤模型。欧洲于1986年通过首项关于保护用于科学目的动物的指令，2010/63/EU指令将3R原则纳入法律框架。2026年6月1日，欧盟委员会正式通过逐步淘汰化学安全评估中动物试验的路线图，提出跨监管领域的具体行动和分阶段建议。美国方面，2022年《FDA现代化法案2.0》取消了新药开发中动物试验的法定要求。2025年4月，FDA发布减少动物试验的路线图，鼓励在新药临床试验申请（IND）中纳入新方法学方法（NAMs）数据，明确提及基于AI的计算模型、细胞系、实验室培养的人体类器官和器官芯片系统。NIH也于2025年宣布优先支持基于人体的研究技术。
3 体外皮肤模型的发展史
3.1 皮肤模型演进的三个阶段
第一阶段（1906–1980年）为二维单层细胞培养时代。1906年Harrison证明活组织可在体外维持，1975年Rheinwald和Green建立了经典的3T3饲养层共培养系统，解决了原代角质形成细胞大规模扩增的难题。
第二阶段（1980–2010年）为组织工程皮肤等效物时代。1980年代气液界面（ALI）培养的引入使皮肤模型从细胞水平迈向组织水平重建。Bell等人首次报道了基于胶原 lattices 的真皮等效物构建。研究者通过在ALI条件下将角质形成细胞接种到含成纤维细胞的胶原凝胶或合成支架上，生成了具有分层结构的RHE和全层皮肤等效物。Smits等人证明可使用N/TERT等永生化角质形成细胞生成标准化三维皮肤模型。先进模型还整合了黑素细胞和朗格汉斯细胞等免疫细胞。然而，早期RHE模型的角质层脂质组织与天然皮肤仍有较大差异，且缺乏毛囊、皮脂腺和汗腺等复杂附属器。
第三阶段（2010年至今）为自组装皮肤类器官与多技术整合时代。2020年Lee等人使用iPSC结合BMP4、TGF-β抑制剂和FGF2的时序诱导，模拟表面外胚层与颅神经嵴的早期相互作用，通过内在自组织形成了具有表皮-真皮层级和毛囊、皮脂腺等附属器结构的SkOs。De Henau等人引入气液界面系统促进类器官展开和平铺生长，改善了传统囊性SkOs限制局部给药的缺陷。另一方向是基于生物工程的自上而下制造策略。Lee等人通过逐层打印胶原和细胞构建复杂皮肤结构，Abaci等人使用3D打印模具生成微孔阵列以促进毛囊形成，Kim等人使用同轴挤出生成可灌注的人工血管网络。皮肤芯片平台在流体控制、动态暴露、梯度形成、实时采样方面具有更成熟的技术基础。
3.2 皮肤类器官的生理学特征与功能验证
单细胞RNA测序数据显示SkOs包含主要表皮谱系，包括基底干细胞、棘细胞和颗粒细胞，以及成纤维细胞、脂肪细胞和胶质细胞等多种真皮间充质群体。SkOs能形成具有同心组织结构的完整毛囊样单元和具有脂质分泌能力的皮脂腺，异种移植研究表明类器官来源的毛囊可自主进行生长期-退行期-休止期循环。分子水平上，SkOs内真皮细胞表达PAX3和SOX10等颅神经嵴相关标志物，体外培养约4–5个月的SkOs转录组特征接近人类胎儿皮肤第二孕期。屏障功能方面，成熟SkOs可限制荧光黄等水溶性示踪染料的渗透，表达FLG、LOR和IVL等参与脂质代谢和角质层形成的关键基因。
4 SkOs用于TDDS评价的应用基础、模型优势与证据边界
4.1 SkOs的当前应用现状
SkOs已从皮肤发育模型扩展至疾病建模、药物筛选和再生医学平台，用于模拟病毒感染、细菌感染、遗传性皮肤病、炎症损伤、纤维化和瘢痕形成。例如，hiPSC来源的SkOs已用于建立SARS-CoV-2皮肤感染模型和皮肤结核模型。微球状皮肤类器官结合Wnt/β-catenin报告系统已用于米诺地尔的药物筛选。然而，文献检索未发现将Lee型hiPSC来源SkOs作为标准化皮肤屏障模型用于Franz扩散池或常规IVPT，并系统测量累积渗透量、稳态通量、渗透系数或皮肤滞留量等定量渗透参数的研究。
4.2 商业化作为基础：RHE成功经验对SkOs转化的启示
商业RHE模型如SkinEthic? RHE和EpiDerm?由人角质形成细胞构建，可形成分层表皮和功能性角质层。基于OECD TG 431和TG 439，这些模型已广泛用于体外皮肤腐蚀和刺激测试。RHE的成功不仅在于形态相似性，还在于成熟的生产、运输、质量控制和终点读数系统。跨膜电阻（TEER）、ET50、组织活力、屏障完整性和组织形态等质量控制指标有助于维持批次间功能一致性。
4.3 克服生理学局限：SkOs在TDDS评价中的核心优势与证据边界
SkOs可通过自组织形成分层表皮、真皮样结构、毛囊、皮脂腺、Merkel细胞和感觉神经元样结构。然而，目前缺乏证据表明SkOs中的附属器结构已被直接用于量化附属器通量、毛囊储库效应或毛囊介导的纳米载体递送。SkOs的角质层脂质组成、神经酰胺亚类分布、紧密连接成熟度、TEER、染料渗透性、药物通量和皮肤滞留量的系统比较仍有限。SkOs含成纤维细胞和真皮样基质，其早期形态发生受机械力介导的间充质-上皮相互作用影响，可能为研究皮肤组织力学和物理促渗技术提供更复杂的体外基础，但尚无直接使用SkOs进行微针插入、穿刺深度测量或机械稳定性测试的原始研究。Mostina等人通过整合hiPSC来源的血管类器官与自组装SkOs生成了含常驻免疫细胞群的全血管化皮肤类器官（VSKOs）。Lee等人报道了SkOs中的感觉神经元样结构、施万细胞和靶向Merkel细胞的神经样网络。
5 皮肤类器官在经皮给药评价中的转化瓶颈
5.1 生产与质量控制缺乏标准化
SkOs的生成仍高度依赖干细胞在三维培养中的自组织，这一过程具有相当大的形态发生不确定性，可导致批次间和批次内异质性。iPSC来源模型对初始微环境的细微变化特别敏感。同一批次内，平行SkOs可能在尺寸、表皮厚度、毛囊数量、组织极性和成熟度方面存在差异。目前尚未建立广泛接受的SkOs释放标准，涵盖屏障完整性、谱系组成、组织形态、成熟阶段、附属器数量、极性和功能读数。
5.2 经济成本与时间效率的结构性障碍
SkOs生成是缓慢的形态发生过程，从hiPSC分化为含成熟毛囊和皮脂腺样结构的SkOs通常需要超过140天的连续培养。常规RHE模型通常在2–3周内即可用于实验。当前SkOs培养系统通常依赖BMP4和FGF2等重组因子、小分子调节剂和三维基质。Matrigel虽可支持类器官形成，但价格昂贵且来源于肿瘤提取物，存在批次间组成变异。标准IVPT通常需要厘米级连续皮肤膜，例如FDA IVPT草案指南提供的扩散池有效给药面积约为1.77 cm2，而SkOs当前的有效暴露面积处于毫米级。
5.3 生物学成熟度、iPSC系变异与遗传稳定性限制
多能干细胞来源的类器官通常重现体外发育过程而非完全成熟的成体器官状态。药物渗透高度依赖角质层成熟度、脂质片层组织、神经酰胺组成、紧密连接完整性和表皮更新。HipSci项目分析了来自301名健康供体的711个iPSC系，发现iPSC表型变异的5%–46%可归因于个体间差异。Shafiee等人使用三种不同hiPSC系生成SkOs，虽然均形成了含分层皮肤结构和色素毛囊的复杂类器官，但生成效率存在差异。在重编程、克隆扩增和长期传代过程中，iPSC可能获得染色体异常、拷贝数变异或体细胞突变。
5.4 方法学质量与证据成熟度评估
本综述纳入的证据在方法学上具有异质性，未对所有参考文献统一应用单一偏倚风险评估工具。SANRA可用于叙事综述结构评估，AMSTAR 2和ROBIS适用于系统综述，SYRCLE和ARRIVE 2.0适用于动物研究，ToxRTool和SciRAP可支持毒理学和体外研究评价。对于皮肤渗透研究，IVPT特异性质量要素尤为重要，包括皮肤来源、屏障完整性、扩散池条件、接收液漏槽条件、药物回收率、分析方法验证和实验可重复性。对于AI预测模型，PROBAST + AI可用于评估偏倚风险和适用性，TRIPOD + AI或CLAIM更适合评估报告完整性。证据成熟度评估显示，RHE和离体人皮肤的证据成熟度相对较高，而SkOs证据主要集中在组织形态发生、疾病建模和药物反应观察，直接支持SkOs作为标准TDDS渗透评价平台的证据仍然不足。
6 数字化智能用于标准化和预测SkOs-TDDS评价
6.1 皮肤相关系统中的数字化定量：直接证据有限但方向明确
基于光学相干断层扫描（OCT）的自动图像分析已被用于测量人皮肤等效物的表皮厚度，表明非破坏性成像可支持皮肤模型的定量质量控制。皮肤芯片平台可模拟皮肤屏障特性、灌注环境和经皮递送过程，为SkOs转化提供了微流体灌注、受控给药、实时采样和屏障监测的工程参考。
6.2 类器官AI质量控制技术作为SkOs质量控制的参考
在其他类器官系统中，OrganoID可追踪显微镜图像中的单个类器官并量化尺寸、生长速率和形态特征。D-CryptO证明深度学习可从结肠类器官的明场图像分析形态，减少对破坏性染色的依赖。
