科研最前沿 | Nature揭示人类皮肤形态发生过程中的免疫调节

人类产前皮肤充满了先天免疫细胞，包括巨噬细胞，但它们是否仅在免疫中起作用或在形态发生中是否具有其他功能尚不清楚。

2024年10月16日，Karl R. Koehler, Sarah A. Teichmann & Muzlifah Haniffa 研究团队在Nature上发表题为“A prenatal skin atlas reveals immune regulation of human skin morphogenesis”的文章。该研究结合单细胞和空间转录组获得了一个全面的产前人类皮肤（受孕后 7-17 周）多组学细胞图谱，以解码调节皮肤和 HF 形态发生的妊娠期间的动态细胞和分子变化。研究表明，巨噬细胞和巨噬细胞衍生的生长因子在驱动内皮发育中发挥作用。先天免疫细胞是皮肤形态发生的关键参与者，与非免疫细胞的串扰来实现这一功能。

为了表征不同谱系和细胞状态在人类产前皮肤发育过程中的作用，对 7 至 17 PCW 的皮肤样本进行单细胞测序，并使用RNAscope、胚胎面部和腹部皮肤的空间转录组Visium及已发表的胚胎肢体的 Visium 数据进行空间验证（图1a）。总共433,961个高质量细胞纳入分析，获得了人类皮肤的细胞图谱（图1b）。在外胚层衍生的细胞中，神经细胞在妊娠早期富集，而上基底表皮和毛囊细胞 (HFs) 主要在妊娠后期（图1c）。中胚层衍生细胞（包括皮肤成纤维细胞和内皮细胞）和免疫细胞在整个妊娠期均有存在（图1c）。先天免疫细胞（如巨噬细胞和ILC）从妊娠早期开始出现，而 B 细胞和 T 细胞则在妊娠后期出现，伴随着胸腺、骨髓和脾脏的形成，从妊娠 10 PCW 左右开始（图1c）。

为了原位定位scRNA-seq 鉴定到的细胞，对面部和腹部皮肤（10 PCW）和胚胎下肢皮肤（6-8 PCW）进行了空间转录组分析。NMF共定位分析预测了产前皮肤中不同的微环境，巨噬细胞与内皮细胞和神经细胞共同定位在“早期和晚期神经血管微环境”（分别为 ME1 和 ME5）中（图1d）。这些结果表明，免疫细胞可能占据特定的解剖微环境，在妊娠早期具有非免疫功能。

图1 人类产前皮肤的单细胞图谱

该研究捕捉到了 HF 形成的开始，使其可以直接比较产前HF 和成人 HF。胎儿皮肤在 8 周龄之前由一层表皮细胞组成；从 11 周龄开始，周皮开始脱落；在 14-15 周龄时，观察到基底细胞（毛斑和生殖细胞）的萌芽和毛栓的伸长；在 17 周龄时，在分层的表皮层下可明显看到毛栓（图2a）。与组织学观察结果一致，scRNA-seq 数据从 14 PCW中 鉴定出 HF 细胞，包括斑块、基质（SHH ⁺）、外根鞘（ORS，SLC26A7 ⁺）、伴随层（CL）、内根鞘（IRS）以及角质层和皮质细胞（角质层/皮质；HF 内层的一部分）（图2a-c）。

观察到未成熟和成熟的毛囊间表皮（IFE）细胞。未成熟的 IFE 细胞从 7 PCW 开始出现，在从胚胎到胎儿皮肤的过渡过程中，11 PCW 后减少（图2b）。成熟的基底（DPYSL2 ⁺）和基底上 IFE 细胞在妊娠 11 周后增加，而POSTN ⁺基底细胞在整个妊娠期都存在（图2b）。皮脂腺和顶泌腺细胞在妊娠 16 周后成熟。RNAscope和免疫荧光染色（FOXP3 +）显示，在15 PCW 时，Treg细胞主要位于HF 内和周围，而不是毛囊间皮肤（图2c）。

综合产前皮肤和 SkO中表皮细胞的伪时间分析，预测POSTN ⁺基底细胞分化为两条路径：1）ORS/CL 轨迹，包括DPYSL2 ⁺基底细胞、ORS 和 CL；2）IRS 轨迹，涉及斑块、基质、角质层/皮质和 IRS（图2d）。沿着 ORS/CL 轨迹，发现了由DPYSL2 +基底细胞上调新基因AGR2，以及先前报道的与 ORS 分化相关的基因（BARX2和SOX9）。AGR2沿着 IRS 轨迹下调，而已知的基质标志物（如SHH和WNT10B）上调。表明POSTN +基底细胞中细胞迁移的增加可能与斑块特化和真皮内陷有关。

描述了在 HF 发育过程中与表皮细胞串扰所涉及的真皮细胞类型，并捕获了人类 Dc 的前体。在小鼠中，过渡型 PDGFRA + FOXD1 + SOX2低成纤维细胞（称为前 Dc 细胞）聚集形成 Dc（FOXD1 + SOX2 +）。使用直系同源标记基因，注释了人类产前皮肤中的前 Dc 细胞和 Dc。HF内陷后，Dc 在其基底被包裹为 Dp（NDP +，SOX2+）（图2c）。为了推断前 Dc 细胞和 Dc 和 Dp 的起源，对产前皮肤和 SkO进行轨迹分析（图2e）。轨迹分析预测HOXC5 +早期成纤维细胞位于真皮上层 (图2f )， 并且在 11 PCW 之前丰富。沿两条路径分化：第一条 (毛发成纤维细胞轨迹) 形成毛发特化的成纤维细胞 (前 Dc 细胞、Dc 和 Dp)，第二条 (真皮成纤维细胞轨迹) 形成WNT2 +成纤维细胞和PEAR1 +成纤维细胞  (图2e)。

此外，探索了早期 HF 形成的间充质-上皮相互作用，以及前 Dc 细胞表达的CXCL12与表皮基底细胞上的ACKR3之间的相互作用（图2g）。RNAscope 证实了这两个基因的共定位，表明CXCL12可能与ACKR3相互作用以介导前 Dc 细胞的迁移（图2h）。值得注意的是，淋巴组织和 ILC3 细胞也会通过参与调节细胞粘附和迁移的配体-受体信号与前 Dc 细胞共定位并相互作用（CXCL12-CXCR4和 CXCL12-DPP4），这表明先天免疫细胞可能在早期 HF 发育过程中支持前 Dc 细胞迁移。Dc 的形成伴随着斑块的内陷，通过FAM3C和EFNB1分别与斑块上的LAMP1或 CXADR和EPHB6相互作用 (图2g)。最后，Dp 中的RSPO3会与基质细胞中的LGR4和LGR6相互作用(图2g)，从而促进 HF 上皮细胞的增殖。

图2 产前皮肤和 HF 形态发生

胎儿时期的人类皮肤能够自行愈合而不留疤痕，但在妊娠 24 周后就会失去这种能力。疤痕是由于真皮成纤维细胞产生的胶原蛋白聚集以及上覆表皮无法完全再生而造成的。为了确定可能赋予早期胎儿皮肤无疤痕愈合特性的细胞和分子机制，首先将胎儿皮肤真皮成纤维细胞与健康成人皮肤成纤维细胞进行比较。成人成纤维细胞基因表达谱在WNT2 +和PEAR1 +产前成纤维细胞中增加（图3a）。与促炎成纤维细胞表型相关的基因（APOE、IGFBP7和ITM2A）在从HOXC5 +成纤维细胞转变为PEAR1 +成纤维细胞期间也上调。妊娠晚期WNT2 +成纤维细胞上调与细胞外基质和胶原沉积相关的基因（如COL1A1），而早期WNT2 +成纤维细胞具有参与细胞生长和分化的 DEG（如SFRP1）（图3b）。值得注意的是，WNT2 +和PEAR1 +产前成纤维细胞表达了几种参与细胞衰老（CDKN1A）、细胞因子途径（IL1R1）和胶原沉积（POSTN）的基因（图3a、b）。进一步支持了在妊娠晚期逐渐获得瘢痕促进基因的发现，且与妊娠晚期皮肤瘢痕的临床观察结果一致。

在产前皮肤中，分析表明巨噬细胞亚群在妊娠早期与成纤维细胞、神经细胞和血管细胞共同定位在不同的组织微环境中（图1d）。具体来说，LYVE1 +巨噬细胞与WNT2 +成纤维细胞共同定位（图3c-e），并通过成纤维细胞上表达的PDGF和相应的受体 (PDGFRα 和 PDGFRβ) 相互作用。巨噬细胞和成纤维细胞之间的相互作用，以维持脾脏、腹膜和心脏等不同器官的组织稳态。此外，发现了生长因子的相互作用（IGF1 - IGF1R和GRN-EGFR），表明LYVE1 +巨噬细胞在产前皮肤真皮成纤维细胞的维持中发挥作用。

此外，还发现了TREM2 +巨噬细胞与来自其他发育器官（如大脑、产前皮肤和生殖腺）的小胶质细胞样巨噬细胞具有相同的表达谱（ P2RY12、CX3CR1和OLFML3 ）。产前皮肤TREM2 +小胶质细胞样 (TML) 巨噬细胞与胚胎脑小胶质细胞高度相关，并共同表达免疫调节基因，包括免疫抑制受体（CX3CR1）和 IL-6 产生的调节剂（SYT11）（图3f）。TML 巨噬细胞与WNT2 +成纤维细胞在早期产前皮肤（ 6-8 PCW）中共定位（图3c、d），并且与成年成纤维细胞相比， WNT2 +成纤维细胞的IL6表达下调（图3a）。推断巨噬细胞在产前皮肤无疤痕愈合中具有潜在贡献。此外，TML 巨噬细胞和LYVE1 +巨噬细胞表达的GAS6会与WNT2 +成纤维细胞上的AXL受体相互作用，且这些相互作用可诱导免疫抑制和组织修复。

总的来说，妊娠早期的产前皮肤成纤维细胞会下调与细胞外基质形成、胶原沉积和炎症有关的基因，这可能有利于组织再生而不是疤痕形成。此外，推测早期皮肤巨噬细胞在赋予早期产前皮肤无疤痕愈合的独特特性方面具有潜在作用。

图3 早期真皮成纤维细胞和巨噬细胞可能有助于无疤痕皮肤愈合

巨噬细胞参与胎儿器官发育过程中的血管生成，以及出生后环境中的血管生成。在人类发育过程中，已在多种组织中观察到表达促血管生成基因的巨噬细胞。反卷积分析表明：产前皮肤巨噬细胞与内皮细胞（“早期和晚期神经血管微环境”，ME1 和 ME5）共存（图1d）。四个巨噬细胞亚群的功能分析表明：LYVE1 +和 TML 巨噬细胞促进芽生血管生成 (新血管的生长) ， LYVE1 +巨噬细胞促进血管形态形成，铁循环巨噬细胞促进内皮细胞趋化。与该发现一致，RNAscope 和免疫荧光染色显示LYVE1 +和 TML 巨噬细胞与内皮细胞非常接近 (图4a )。配体-受体相互作用与巨噬细胞和内皮细胞之间的相互通讯一致，以支持血管生成、趋化性和细胞迁移 (如CXCL8 -ACKR1和 CCL8-ACKR1)。

轨迹分析表明，产前皮肤中的早期内皮细胞分化为小动脉通路（毛细血管、毛细血管小动脉和小动脉）或小静脉通路（毛细血管后小静脉和小静脉），并表达特征性基因（如小动脉的GJA5和小静脉的PLVAP）（图4d）。与 SkO 毛细血管小动脉细胞不同，产前皮肤毛细血管小动脉细胞可以进一步分化为小动脉（图4d）。

接下来，在 SkO 分化的早期阶段引入自体 iPS 细胞衍生的巨噬细胞，在培养 5 周后，巨噬细胞仍与血管共定位（图4f-h）。与对照相比，与巨噬细胞共培养的 SkO 中看到了更精细和有组织的血管网络（图4f，g）。而对照 SkO 显示出网状的内皮细胞聚集，与巨噬细胞共培养的 SkO 中则不存在这种情况（图4f，g）。总之，研究结果表明，巨噬细胞和内皮细胞之间的相互作用是通过血管重塑来支持血管生成的必要条件。

图4 巨噬细胞支持产前皮肤血管生成

产前人类皮肤细胞图谱揭示了非免疫细胞和免疫细胞之间的串扰是毛囊形成的基础，与无瘢痕伤口愈合有关，且对皮肤血管生成至关重要。巨噬细胞和巨噬细胞衍生的生长因子在驱动内皮发育中发挥作用。先天免疫细胞是皮肤形态形成的关键参与者，超越了它们在免疫中的传统作用，通过与非免疫细胞的串扰实现这一功能。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08002-x