《Journal of Investigative Dermatology》：Spatial organization of epithelial heterogeneity through undulating structures of the skin and oral mucosa
编辑推荐：
为解决波浪状组织结构如何影响上皮细胞空间定位和行为的问题，本研究利用小鼠口腔粘膜作为体内模型，并结合体外三维培养体系。研究发现，上皮基底层的标记滞留细胞(LRCs)与非滞留细胞在波浪结构的脊间区和网状脊区呈现显著的空间偏好分布。谱系追踪证实Dlx1-CreER+和Slc1a3-CreER+细胞群体分别偏好定位并维持这两个区域的稳态。转录组分析揭示了Il1r2和Slc1a3可作为区分这两种群体的潜在标记。体外三维培养表明，波浪状的拓扑结构本身足以诱导基底角质形成细胞增殖的空间偏好。本研究揭示了组织结构拓扑形态是塑造上皮细胞异质性空间组织的关键微环境要素。
想象一下我们的皮肤，它并非光滑如镜，而是在表皮与真皮交界处呈现出规律的波浪起伏，这就是网状脊结构。这种波浪状的“丘陵与山谷”地形不仅是皮肤的力学支柱，还可能与不同类型的皮肤干细胞定居密切相关。有趣的是，虽然人类的皮肤拥有显著的网状脊结构，实验室常用的模型动物小鼠的背部皮肤却缺少类似的结构。这使得研究者们在探究组织结构本身如何像城市规划一样，引导不同类型的细胞“定居”在特定区域时，遇到了不小的阻碍。幸运的是，研究人员在小鼠的口腔粘膜中发现了类似的波浪状结构。这项发表在《Journal of Investigative Dermatology》的研究，正是巧妙地利用了小鼠口腔粘膜这一独特的体内模型，并结合体外三维工程构建，揭示了组织结构拓扑形态本身是如何作为一种地形学的微环境，精细调控上皮细胞异质性空间分布的奥秘。
研究人员运用了几个关键技术方法来探究这一问题。首先是体内标记滞留实验，利用K5-tTA/pTRE-H2B-GFP转基因小鼠模型，通过关闭多西环素诱导的GFP表达来实现稀释标记，从而区分分裂缓慢的标记滞留细胞(LRCs)和分裂快速的细胞。其次是遗传谱系追踪，通过Dlx1-CreER和Slc1a3-CreER小鼠与Rosa-tdTomato报告小鼠杂交，并结合他莫昔芬诱导，实现了对特定细胞群体的长期命运追踪。再者是转录组分析，通过流式细胞术分选出皮肤和口腔粘膜中的LRC与非LRC基底细胞群体，并进行RNA测序，以揭示分子差异。此外，体外三维培养模型的构建是关键一环，研究人员使用了具有波浪状微图案的胶原支架，在其上接种人原代角质形成细胞并进行气液界面培养，以模拟体内的拓扑结构。研究中用到的人类皮肤样本来源于匿名捐献者的腹部皮肤，人类原代角质形成细胞来源于商业化渠道。
结果
小鼠口腔上皮中LRC与非LRC群体沿波浪状结构的空间定位
研究人员利用H2B-GFP标记滞留实验发现，在经过两周的追踪后，标记滞留细胞(LRCs)主要富集在波浪结构的脊间区，而非滞留细胞则更多地出现在网状脊的底部。Ki-67染色证实，非LRC群体中增殖细胞的比例显著高于LRC群体。口腔上皮的整体三维染色进一步揭示了不同部位波浪结构的形态差异，但LRC与非LRC群体的空间分布偏好是一致的。
Dlx1-和Slc1a3-CreER标记的细胞群体在硬腭上皮中显示出空间偏好性的谱系模式
谱系追踪实验表明，Dlx1-CreER标记的细胞克隆倾向于定位并维持在脊间区，而Slc1a3-CreER标记的克隆则偏好定位在网状脊区域。这两种克隆都能长期存在（长达一年），并为上皮更新做出贡献。克隆动力学分析显示，Slc1a3-CreER+克隆的扩张速度快于Dlx1-CreER+克隆。
皮肤和口腔粘膜中LRC与非LRC群体的分子特征
转录组分析显示，口腔粘膜和皮肤的样本各自聚类，但LRC与非LRC群体在每个组织内部都展现出独特的分子特征。研究发现Il1r2基因在LRC群体中表达更高，而Slc1a3基因在非LRC群体中表达更高。蛋白质水平的免疫染色证实，在小鼠口腔粘膜中，Slc1a3蛋白富集于网状脊区域，而Il1r2蛋白则主要在脊间区表达。在小鼠尾部表皮中也观察到类似的Slc1a3富集于鳞片区、Il1r2富集于鳞片间区的模式。
基于微图案支架的三维表皮培养可在体外部分重现增殖偏好
为了探究波浪结构本身的影响，研究人员构建了一种体外三维培养模型，使用模拟波浪拓扑的微图案胶原支架。结果显示，在具有波浪结构的支架上培养形成的表皮更厚。更重要的是，尽管增殖细胞总数无差异，但其空间分布显示出偏好性：类似于人体皮肤，增殖细胞更多地集中在距离网状脊底部0-40μm的区域。而在平坦的无图案支架上，则没有这种分布偏好。然而，在该体外条件下，未能重现体内观察到的分子标记物（如ASS1、SLC1A3）的区域特异性表达模式。
结论与讨论
本研究系统地阐明，小鼠口腔粘膜上皮细胞的异质性群体呈现出与波浪状组织结构相关联的空间有序分布。标记滞留细胞(LRCs)和分裂更快的细胞分别偏好定居于脊间区和网状脊区。遗传谱系追踪证实，Dlx1-CreER+和Slc1a3-CreER+细胞群体不仅初始定位不同，而且它们的谱系贡献长期局限于各自的区域，维持了上皮的区域性稳态。在分子层面，研究发现了Il1r2和Slc1a3分别作为区分这两种群体的潜在标记。尤为重要的是，通过创新的体外三维培养模型，研究证明了波浪状的拓扑结构本身足以诱导基底角质形成细胞增殖行为产生空间偏好，而不依赖于复杂的细胞间相互作用或生化信号。这表明组织结构的地形特征本身就是调控上皮细胞行为的关键微环境因子。
这项研究的意义在于，它将组织结构拓扑从一个被动的力学支撑角色，提升为主动调控细胞命运和空间组织的关键生态位要素。它为解决人类皮肤研究与小鼠模型间的解剖差异提供了一个新颖的体内模型（小鼠口腔粘膜）。同时，研究所开发的体外三维培养平台，为未来在不依赖成纤维细胞的条件下，精细解析拓扑结构、基质刚度、生化信号等多重因素如何协同塑造上皮细胞异质性提供了有力的工具。尽管当前模型在重现分子异质性方面尚有局限，但它为未来构建更复杂的仿生皮肤模型、应用于再生医学、药物筛选和疾病机理研究奠定了重要的基础。总之，这项研究揭示了“地形即命运”在上皮组织中的一个生动例证，加深了我们对组织形态发生与稳态维持之间深层联系的理解。
