摘要：人体组织的多层结构是其实现复杂功能的基础，但在体外模型中精准复现这一特征始终面临挑战。传统三维球体微组织模型多为单层结构，难以模拟皮肤等多层组织的功能区隔；而类器官培养虽然能够在一定程度上复现组织结构，但过程耗时费力，且细胞空间排布难以控制，导致结构与功能仍与

人体组织的多层结构是其实现复杂功能的基础，但在体外模型中精准复现这一特征始终面临挑战。传统三维球体微组织模型多为单层结构，难以模拟皮肤等多层组织的功能区隔；而类器官培养虽然能够在一定程度上复现组织结构，但过程耗时费力，且细胞空间排布难以控制，导致结构与功能仍与真实组织存在显著差距。因此，若能在体外模型中重建真实的多层组织结构，将为提高生理相关性与功能准确性提供关键支持。

近日，多伦多大学Eugenia Kumacheva团队在Science Advances发表题为

图1. 流体力学驱动多层皮肤类器官构建技术路线

研究团队基于微流控芯片开发出“分步加载”策略，通过精准调控细胞与水凝胶的空间分布，成功构建出具有清晰层次结构的多层皮肤类器官。具体而言，首日将真皮成纤维细胞与 EKGel-I 水凝胶前体混合液注入芯片腔室，形成模拟真皮的内核结构。随着细胞在胶体中的自主收缩，内核于次日形成稳定三维球体结构；随后将含角质形成细胞的 EKGel-II 混合物注入已形成的空腔区域，形成致密的表皮壳层。整个构建流程从细胞接种至双层结构成熟仅需 72 小时，可实现单批次超过 2000 个类器官的规模化制备。更重要的是，该系统支持对表皮与真皮层的细胞密度与类型的独立调控，突破了传统方法在结构可控性上的限制。

通过多维度生物学表征验证，该多层类器官展现出高度仿生的特性。分子水平分析显示，表皮层特异性表达Cytokeratin 14与Involucrin等蛋白，并通过紧密连接蛋白Claudin-1形成连续屏障；真皮层则呈现Collagen I与Fibronectin的基质沉积特征。值得注意的是，层间交界处检测到基底膜标志物Laminin-5，证实了功能性表皮-真皮连接结构的形成。在屏障功能评估中，荧光分子探针的渗透实验表明，多层类器官的分子阻隔能力较单层结构提升逾 20%，进一步证实其模拟皮肤屏障的有效性。

图2. 高通量活性成分筛选实验全流程解析

为评估模型的实际应用价值，研究团队开展了系统性的功能测试。首先以维生素C、视黄醇及其组合为基准测试体系，证实模型能够再现人类皮肤对活性成分的响应特征。基于此验证基础，研究进一步拓展至Dermican®、Syniorage®等新型护肤肽类成分的有效性评估，成功揭示其差异化作用机制——Dermican®主要刺激真皮层分泌特征性结构蛋白，而Syniorage®则显著增强表皮角质形成细胞增殖活性，精准实现了对成分作用位点的空间解析。

在化学品安全性评价方面，该模型展现出卓越的标准化检测能力。研究团队选取OECD测试指南中列举的异丙醇、氯化甲基二苯醚及氢氧化钾等代表性化学品进行验证，通过系统测定半数抑制浓度（IC₅₀）建立的毒性分级体系，与联合国《全球化学品统一分类和标签制度》（GHS）的标准分类表现出高度一致性。基于此建立的剂量-效应关系曲线，为化妆品原料风险分级提供了可靠的实验依据。在机制研究层面，模型成功捕捉到氢氧化钾等强碱性物质引发的角蛋白溶解现象，直观揭示了碱性刺激物通过破坏角质层蛋白网络导致皮肤损伤的分子路径。

相较于传统体外皮肤模型，多层皮肤类器官展现出突破性的技术优势：其仅需3天即可完成类器官构建，单批次可产出2400个高度标准化类器官阵列。该模型创新性地实现了表皮与真皮层生物活动的独立观测，支持同步解析活性成分对屏障功能与基质重塑的双重影响。未来可在在功能性成分筛选、化学品毒性分级等领域实现标准化应用。更为重要的是，该技术框架具有普适性拓展潜力，通过替换特定组织细胞与基质组合，未来可延伸至角膜、肺泡等多层器官模型的工程化构建，为复杂组织体外研究提供模块化解决方案。

多伦多大学博士生Zhengkun Chen为本文独立第一作者，英国皇家学院、加拿大皇家学院两院院士Eugenia Kumacheva教授为本文通讯作者。

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来源：菠萝蜜的原创科学课堂