《Frontiers in Cell and Developmental Biology》：Hair follicle organoids: advances in construction, applications, and translational challenges
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毛囊（HFs）是具有高度有序结构和周期性再生能力的复杂微型器官。近年来，毛囊类器官（HFOs）作为一种有前景的三维体外模型，能够部分重现天然毛囊的结构与功能，为研究毛发生物学及相关疾病提供了新机遇。本综述首先概述毛囊的关键生物学特征，强调上皮-间质相互作用（E
毛囊（HFs）是具有高度有序结构和周期性再生能力的复杂微型器官。近年来，毛囊类器官（HFOs）作为一种有前景的三维体外模型，能够部分重现天然毛囊的结构与功能，为研究毛发生物学及相关疾病提供了新机遇。本综述首先概述毛囊的关键生物学特征，强调上皮-间质相互作用（EMI）在毛囊发生中的核心作用——这是类器官构建的基础。随后，研究人员系统总结了类器官技术的基本原理，并对比了当前HFOs的主要构建策略，包括基于原代细胞的共培养体系和诱导多能干细胞（iPSC）来源的方法，重点分析了各自的优势与局限性。此外，综述讨论了HFOs在疾病建模、药物筛选和再生医学中的应用，同时批判性地指出当前面临的挑战，如大规模培养的困难、成熟度有限及标准化缺失。总体而言，HFOs代表了连接基础研究与临床转化的有前景平台。未来，整合生物材料、微流控系统和生物工程技术的努力有望增强其生理相关性并加速转化潜力。
1 引言
毛囊不仅负责毛发的周期性生长与再生，还参与皮肤屏障功能、感觉功能、色素沉着及局部免疫调节等复杂生理过程。毛囊类器官不仅能更精准模拟毛囊发育、周期调控及色素生成的动态过程，还为解析疾病机制、高通量药物筛选及毛囊再生提供了潜在平台。然而，现有HFOs普遍存在模型成熟度不足、长期功能维持困难及标准化规范缺失等问题，体外模型与临床转化之间存在显著鸿沟，亟需系统性梳理与评估。
2 毛囊的生物学特征
2.1 毛囊生长发育机制
毛囊是具有复杂生理结构的微型器官，由表皮来源的上皮细胞与真皮来源的间质细胞通过上皮-间质相互作用（EMI）形成，并依赖该互作实现周期性生长与再生。毛囊发育始于胚胎期妊娠第3个月，大致分为毛囊基板形成、毛囊形态发生及细胞分化与功能建立三个阶段。真皮间质细胞激活后分泌Wnt信号分子，表皮细胞感知信号后局部增殖聚集，决定毛囊位置并形成毛囊基板；此过程中Wnt/β-连环蛋白（Wnt/β-catenin）和EDA/EDAR/NF-κB信号通路不仅启动毛囊发生，还维持初级毛囊基板的稳定性。基板表达成纤维细胞生长因子20（FGF20）等信号分子作用于下方间质细胞，促进其增殖与存活。Notch信号通路通过维持自我更新与分化的平衡，诱导干细胞多能性以保持基因表达，抑制过早分化，确保干细胞池再生与正常循环。
在音猬因子（Shh）信号通路诱导下，角质形成细胞增殖间接驱动毛囊基板向下延伸与聚集，凝聚体周围骨形态发生蛋白（BMP）信号升高，既促进角质形成细胞发育，又抑制邻近表皮细胞的毛囊诱导以限制毛囊过度增大。Wnt信号通路抑制分子Dickkopf相关蛋白4（DKK4）调控毛囊上皮细胞增殖与分化平衡；真皮Noggin信号蛋白作为BMP拮抗剂，通过抑制BMP信号并调控淋巴增强因子1（Lef1）等转录因子控制毛囊上皮诱导。真皮乳头细胞（DPCs）由上皮包裹真皮凝聚体形成，建立毛囊初始结构；真皮乳头来源的FGF7和FGF10信号进一步刺激上皮细胞增殖，推动毛囊以“同心圆”方式生长延伸。此过程中，毛囊基板细胞可分化为多种细胞类型，并为毛囊周期性再生提供隆起区多能干细胞等细胞来源。
最终，毛囊上皮分化为各亚结构：上皮包裹真皮乳头形成毛球，周围上皮细胞分化为外根鞘；靠近真皮乳头的毛基质细胞增殖分化为毛干和内根鞘，皮脂腺、立毛肌等附属结构逐步发育，形成功能成熟的毛囊。成熟毛囊上皮由基质角质形成细胞、内根鞘和外根鞘组成，其中基质角质形成细胞是毛囊内活跃增殖的细胞，参与毛囊轴形成。此外，外胚层来源的神经嵴细胞定向分化为黑色素干细胞，定位于毛囊隆起区，持续为毛囊色素系统提供细胞来源；毛干色素沉着由毛基质附近成熟黑色素细胞调控，形成新生毛干的特定表型。
2.2 毛囊的周期性调控
毛囊再生的周期性过程包括生长期（anagen）、退行期（catagen）和休止期（telogen）。生长期以细胞增殖为主，退行期毛囊退缩且细胞主要发生凋亡，休止期细胞相对静止；休止期结束后细胞重新激活进入生长期。人类毛囊周期机制尚未完全明确，这种周期性变化是毛囊区别于其他器官的显著特征，涉及Wnt/β-catenin、BMP和Shh等多条信号通路与细胞因子的复杂互作。
Wnt/β-catenin信号是毛囊周期进入生长期的主要起始信号，其激活可促进毛囊干细胞（HFSCs）活化、毛基质细胞增殖及毛囊生长；Shh信号通路则促进毛基质细胞增殖与存活，进一步推动毛囊上皮细胞增殖与形态构建。生长期接近结束时，转化生长因子-β（TGF-β）/BMP等凋亡相关信号通路激活，驱动毛囊进入退行期：毛基质细胞停止增殖并逐渐凋亡，毛囊结构上缩，长度缩短。退行期启动涉及多条信号通路转换，包括BMP和FGF5信号上调及Wnt、Shh活性下降，共同触发凋亡程序，导致毛囊结构退化。退行期结束后毛囊进入休止期，此时隆起区干细胞相对静止，真皮乳头细胞体积缩小，信号分子分泌减少；休止期的维持与BMP信号持续激活及Wnt信号抑制相关。当从休止期向生长期过渡时，真皮乳头细胞重新激活并分泌Wnt、FGF等信号分子，刺激隆起区干细胞增殖分化，启动新的毛囊生长周期。除直接分子信号通路外，毛囊生长还受遗传背景、激素水平、代谢状态等内源性因素，以及营养摄入、神经调控、药物干预、环境污染等外源性因素的共同影响，其中雄激素的作用尤为关键。
3 毛囊类器官技术的基本原理与应用优势
传统二维细胞模型存在细胞类型单一、毛囊诱导基因表达特征快速丢失、无法真实模拟毛囊复杂上皮-间质相互作用等局限，成为毛囊再生研究的瓶颈；动物实验虽具体内相关性，但受成本高、物种差异及伦理问题限制。在此背景下，类器官技术因能高度模拟人体器官的三维结构与功能，逐渐成为毛囊生物学研究的重要模型。
类器官技术通过模拟胚胎条件，利用相关形态发生素和细胞外基质（ECM）蛋白可部分重建多数器官。毛囊类器官是由毛囊来源干细胞或前体细胞（如DPCs、角质形成细胞、HFSCs等）在体外三维共培养体系中通过细胞-细胞及细胞-ECM互作自组装形成的微型组织，其核心原理是利用Matrigel等ECM提供支架支持，添加特定生长因子、信号分子和营养物质模拟胚胎毛囊发育的微环境，促进细胞以类似体内器官发生的方式增殖、分化并进行空间排列，最终形成具有毛囊芽样结构甚至完整毛干的类器官结构。
毛囊类器官模型包含多种毛囊相关细胞，能更好保留原始组织的功能特征，形成更复杂的细胞间生物通讯与信号调控网络；细胞通过旁分泌、自分泌等机制实现相互影响、反馈调节与协同发育，细胞-细胞互作与细胞-ECM互作共同支持细胞微环境稳态的建立，促进具有特定空间结构与功能的微组织器官形成。该类器官模型基因组更稳定，可实现体外长期稳定培养并保持遗传背景稳定，适用于高通量、大规模筛选，能精准模拟原发组织的细胞异质性、结构与生理功能，且操作相对简单，可有效减少动物实验使用、降低研究成本并缩短研发周期，在疾病模型构建、药物功效筛选与安全性评价、器官移植及再生医学等领域具有重要应用价值，为毛囊发育机制研究与脱发再生治疗提供了前所未有的体外实验平台。
4 毛囊类器官的构建方法
针对高度依赖上皮-间质相互作用与周期性调控的毛囊，类器官策略虽具潜力，但仍面临独特挑战：如何在体外重现DPCs的诱导能力、隆起区干细胞的周期性活化及毛干-色素形成的完整过程。近年来，研究人员已开发多种构建策略，主要分为细胞来源与自组装、ECM重构与生化信号调控、生物工程技术辅助三大模块。
4.1 细胞来源与获取
HFOs的细胞来源主要包括原代细胞分离培养（直接从体内获取毛囊相关细胞）、多能干细胞定向诱导分化及细胞共培养（上皮-间质细胞共培养产生）。原代细胞分离培养可直接获得目标细胞类型，但其来源常受伦理规范、样本获取难度及个体供体差异限制，如人DPCs获取依赖头皮活检等有创操作，且传代后细胞活力下降、表型不稳定及功能衰退，限制了其在大规模实验与临床应用中的推广。细胞重编程技术极大拓展了HFOs的细胞来源：2006年Yamanaka团队成功诱导出首例诱导多能干细胞（iPSCs），奠定了现代干细胞研究基石；重编程iPSCs具有多谱系分化潜能，可通过调控分化条件分阶段控制细胞命运，构建含多种细胞类型的复杂类器官。皮肤及毛囊类器官的主流诱导策略为先将iPSCs分别定向分化为角质形成细胞和成纤维细胞，再将两类细胞共培养，在特定信号分子协同作用下形成类似皮肤的分层结构。
不同细胞来源各有优劣：原代细胞能直接反映体内状态，但来源受限；iPSCs定向分化不仅避免伦理争议，还可实现无限扩增，且因细胞源自患者自身，有望降低未来再生医学移植中的免疫排斥风险，但目前仍面临分化效率低、信号调控网络模拟困难等挑战。
4.2 毛囊胚的共培养组装
毛囊胚共培养通过将上皮细胞与DPCs分离，在体外直接共培养模拟毛囊胚的早期组装过程，重现胚胎期毛囊发育阶段。将不同细胞按一定比例混合接种，在特定培养条件下诱导细胞相互识别、黏附并组装为极性毛囊胚结构，植入体内或三维培养体系后可进一步发育为含毛干与根鞘的HFOs。共培养体系的核心是上皮细胞与间质细胞间的动态互作与信号通讯，结合悬滴培养或气-液界面（ALI）培养等平台，可更精准复现毛囊发育早期阶段，模拟毛囊起始阶段的细胞-细胞互作，提升类器官结构规整性。
除毛囊相关细胞外，Fukuda团队研究了内皮细胞（ECs）与人脂肪来源干细胞（hASCs）在构建毛囊组织移植物中的作用：ECs定位于真皮乳头区域，含ECs的毛囊胚（HFGs）体外表现出更高的毛发生形态发生相关基因表达；DPCs、小鼠胚胎上皮细胞与hASCs在悬浮液中混合形成聚集体后，可发育为哑铃形HFGs，其中hASCs位于DPC聚集体侧方，其参与显著提升毛发生形态发生相关基因表达。尽管这些研究缺乏长期生存及毛发质量的相关结果，且存在跨物种异源细胞组合（如小鼠胚胎上皮细胞与hASCs或hDPCs混合），但仍揭示生长因子与微环境调控对类器官成熟度的显著影响，为后续毛囊组织工程应用奠定了关键技术基础。
4.3 三维聚集与微环境优化
基于上述共培养框架，三维聚集技术通过物理/化学手段启动细胞自组装。早期HFOs研究主要采用胚胎或新生小鼠真皮细胞与上皮细胞共培养，利用悬滴法建立微环境模型。Rogers等于1987年首次建立毛囊重建体系：从小鼠真皮分离纯化毛囊相关细胞，在Ⅰ型胶原中培养并与真皮成纤维细胞重组，移植至小鼠背部成功诱导毛发再生。Kang等于2012年观察到将悬滴法培养的三维DPCs与新生小鼠表皮细胞混合后初步形成毛囊，首次证实悬滴法在HFOs构建中的可行性；该方法通过表面张力与重力场互作控制均匀三维细胞球体的形成，但球体大小的精确控制及后续扩增仍具挑战。Higgins等于2013年进一步利用悬滴法实现DPCs的体外扩增，同时构建可诱导毛囊形成的局部微环境，部分恢复真皮乳头基因表达谱（如SOX2、BMP4），相应恢复DPCs的生发诱导特性。尽管悬滴法便于初始聚集，但与基于支架的系统相比，其空间控制与可扩展性不足限制了转化潜力。Weber等于2019年利用悬滴法将新生儿包皮角质形成细胞与头皮真皮细胞结合，观察到真皮细胞聚集处的表皮细胞突起形成发夹样结构，建立了首个体外分化HFOs案例，但该方法培养的真皮细胞无法成功扩增。
气-液界面（ALI）立体培养可模拟自然环境，基于谱系类型促进细胞自组织与定向分化，增加类器官中毛囊的数量与结构，但该方法操作相对简便，与悬滴法相比效率更低且成本更高，所构建的类器官在结构完整性与功能成熟度上仍需优化。多个团队正探索新型培养体系以进一步优化微环境：优化细胞接种密度与培养时间可减少细胞凋亡，提升类器官形成效率；调整ECM的组成与刚度可为细胞空间排列与互作提供适宜物理支架，更接近毛囊发育的体内微环境。Su等将胎儿头皮真皮祖细胞与成人包皮表皮干细胞（Epi-SCs）按2:1比例混合制备悬液，并在培养基中添加重组WNT3a蛋白
