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芯片上的"人皮"——把"晒伤"研究搬上芯片，实现紫外暴露+自动化检测，重塑皮肤研究

已有 235 次阅读 2026-6-26 22:48 |个人分类:科技|系统分类:科研笔记

科研笔记

芯片上的"人皮"：把"晒伤"研究搬上芯片，实现紫外暴露+自动化操作，重塑皮肤研究

齐云龙

皮肤芯片（Skin-on-a-Chip）｜紫外线B（UVB）损伤｜自动化平台｜光保护｜再生医学｜间充质干细胞纳米囊泡

作者：齐云龙｜ 2026年6月

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引言

阳光是维持生命活动的重要环境因素，但其中的紫外线B（UVB，280–320 nm）辐射是皮肤健康的潜在风险源。UVB具有浅表穿透特性，主要被表皮及上层真皮吸收，易破坏皮肤细胞 DNA，诱发氧化应激并激活炎症级联反应，最终造成皮肤屏障功能减退与胶原蛋白降解。系统探究紫外线对皮肤的损伤机制，同时科学评估各类防护与修复策略的有效性，一直是皮肤科学领域的研究难点。

传统研究模式存在明显局限性：二维细胞培养体系不具备皮肤多层立体结构特征；动物模型与人类皮肤在种属生理结构、免疫微环境上存在显著差异；人工重建三维皮肤等效物，往往难以适配高通量筛选与自动化检测的应用需求。此前我在文章（"人皮令"下一皮难求，皮肤芯片何时能扛起担当？）曾提到，2025年6月20日，国家药监局药审中心发布《局部起效化学仿制药体外释放（IVRT）与体外透皮（IVPT）研究技术指导原则（试行）》，业内俗称"人皮令"，引发业内强震，使得标准化人体皮肤替代模型的市场与研发需求大幅提升。

此次介绍的研究是韩国中央大学（Chung-Ang University）与Mepsgen公司联合研究团队，开发出的一款微型化皮肤器官芯片（Skin-on-a-Chip），并与ProMEPS®自动化工作站完成系统集成。该套平台可模拟UVB诱导皮肤损伤过程，还能定量评估氧化锌、二苯酮-3等传统紫外线防护剂的预防功效，以及干细胞来源纳米囊泡的组织再生修复能力。干细胞纳米囊泡与当下热门的外泌体类似，均可携带信号分子、调控炎症反应、促进组织修复，在再生医学领域应用效果相近。该研究为皮肤光生物学基础研究与防晒护肤产品开发，提供了一套标准化、可规模化应用的自动化评估体系。

研究亮点：四项关键技术特点

1	微型化皮肤模型：采用8单元格式聚苯乙烯芯片，在微孔膜两侧分别培养人角质形成细胞与真皮成纤维细胞，重构具备表皮—真皮分层结构的类皮肤组织。
2	直接UVB暴露设计：底部微孔结构支持从芯片下方直接进行UVB照射，规避传统通道型芯片几何结构带来的光学干扰，保障辐射剂量高度均一性。
3	自动化集成平台：与ProMEPS®工作站无缝适配，实现细胞接种、培养基更换、试剂添加、TEER检测全流程自动化操作，大幅提升实验可重复性。
4	双重干预策略评估：可在同一平台并行对比传统紫外线防护剂的预防性保护作用与干细胞纳米囊泡的治疗性再生修复作用，为两大领域提供量化评估工具。

一、实验设计：构建可靠的皮肤芯片研究体系

1. 芯片的精密架构

该皮肤芯片核心为MEPS-TBC-WL型聚苯乙烯芯片，采用注塑工艺制备。单个芯片单元包含顶部微通道（生长面积4.07 mm²）与底部微孔（生长面积4.785 mm²），中间由孔径3 μm、厚度9 μm的聚酯薄膜分隔，形成1.14 mm²的细胞共培养界面（图1）。

图1 皮肤芯片平台设计与实验示意图。（a）组装好的MEPS-TBC-WL照片及分解视图，展示盖板、底板与取样板结构。底板含8个单元，各含顶部微通道与底部微孔，中间由聚酯膜隔开。（b）皮肤模型示意图：真皮成纤维细胞接种于微通道，角质形成细胞接种于微孔，构建双室共培养系统。UVB从设备底部照射。（c）皮肤芯片分步构建流程。（d）概念示意图：UVB暴露、传统防护剂预处理及纳米囊泡后处理的预期生物学反应。

▸ 架构设计解读：这种"通道-微孔"混合架构是平台核心设计关键。传统微生理系统多采用双通道封闭式结构，细胞被包裹在聚合物内部，难以直接接受外部光照。MEPS-TBC-WL微孔型架构可构建直通式光学通路，让表皮层面充分接收UVB辐射，减少空间变异带来的误差，提升批次间损伤模型构建的可重复性。

2. 细胞接种与培养

该研究选用人永生化角质形成细胞（HaCaT）、人原代真皮成纤维细胞（HDF）搭建模型。将HDF接种于顶部微通道形成真皮单层，HaCaT接种于底部微孔形成表皮单层。两层细胞借助多孔膜完成可溶性因子交换，同时保持物理空间隔离，可实现表皮、真皮分区独立分析。

实验流程：先接种HDF稳定培养3 h，翻转芯片接种HaCaT细胞，继续培养24 h。为适配自动化操作，该模型全程采用浸没式培养（submerged culture），未采用气液界面（ALI）培养模式。这一设计在生理复杂度与实验通量之间做出合理权衡。

3. 自动化系统的集成

与ProMEPS®工作站集成是实现标准化实验操作的核心。该系统搭载触摸屏控制界面、芯片固定载台、可编程微升级液体处理模块及连续灌注培养模块。加样精度测试显示，手动加样变异系数（CV）为2.54%–3.12%，而ProMEPS®工作站可将CV降至1.02%——微升级液体控制精度的显著提升，为后续UVB损伤建模与干预评估奠定了稳定的实验基础。

二、核心技术解析：芯片如何实现UVB损伤建模与干预评估？

1. UVB损伤模型的建立

研究团队首先依托皮肤芯片构建UVB诱导皮肤损伤模型。照射前对细胞进行低血清饥饿处理，同步细胞代谢状态；采用中心波长312 nm、剂量40 mJ/cm²的UVB，从芯片底部垂直照射（如图2所示）。UVB照射后，皮肤芯片呈现典型急性光损伤特征：

•	细胞内活性氧（ROS）水平显著升高
•	表皮细胞增殖标志物Ki67表达下调
•	皮肤屏障相关蛋白丝聚蛋白（FLG）表达减弱

qRT-PCR检测进一步证实，抗氧化、炎症通路相关基因（SOD2、PTGS2）表达明显上调，细胞增殖、基质合成相关标志物（MKI67、COL1A1、OCLN）表达显著下调——上述表型较好复现了急性晒伤与早期光老化的核心病理特征。

图2 UVB诱导皮肤损伤模型的建立。（a）实验时间线。（b）H2DCFDA荧光图像显示UVB照射下ROS生成增加。（c）Ki67免疫荧光染色显示增殖受抑。（d）FLG染色显示屏障蛋白降低。（e）qRT-PCR分析基因表达差异。*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001。

2. 传统紫外线防护剂的验证

研究团队选取两款主流防晒成分在芯片平台上验证光保护效果（图3）：

•	氧化锌（ZnO）：无机紫外线防护剂，通过吸收、散射与反射多重作用降低有效UVB剂量；实验采用10 μg/mL预处理4 h后照射。
•	二苯酮-3（BP-3）：有机紫外线吸收剂，可吸收UV光能并以热能形式散逸；实验采用30 μM预处理1 h。

实验结果表明，两种成分预处理均可显著维持Ki67阳性细胞比例，下调SOD2、PTGS2等炎症基因表达，同时一定程度恢复FLG、OCLN及COL1A1表达水平，证实该皮肤芯片平台可灵敏表征传统防晒剂的预防性光保护机制。

图3 ZnO与BP-3的光保护效果验证。（a）防护剂预处理时间线。（b）免疫荧光显示ZnO或BP-3预处理后Ki67信号得以保留。（c-d）qRT-PCR分析证实两种防护剂对氧化应激、炎症及屏障/基质相关基因的调节作用。*p<0.05，**p<0.01。

3. 干细胞纳米囊泡的再生修复

该研究同步探索损伤后治疗干预方案，引入诱导多能干细胞衍生间充质干细胞纳米囊泡（iMSC-NV）开展测试。iMSC-NV通过活细胞物理挤压法制备，粒径主要集中在100–150 nm；透射电子显微镜下呈现细胞外囊泡典型杯状形态；dSTORM超分辨成像证实单个囊泡可稳定表达CD9、CD63、CD81等经典标志物（图4）。

⭐ 重要发现：iMSC-NV可有效穿透表皮屏障。UVB照射后在表皮侧施加荧光标记的iMSC-NV，6 h共聚焦成像显示，囊泡可分布于HaCaT表皮层与HDF真皮层，实现双层组织靶向递送。

基因表达分析显示，iMSC-NV可显著抑制PTGS2、IL6、CXCL8等炎症因子表达，同时上调MKI67、OCLN、AREG及COL1A1表达，并下调基质降解酶MMP1——表明iMSC-NV在皮肤光损伤后期可同时发挥抗炎与促再生双重作用，有效逆转光损伤引发的皮肤基质失衡。

图4 iMSC-NV表征及其在UVB损伤芯片中的促再生效果。（a）UVB后处理iMSC-NV实验方案。（b）NTA粒径分布。（c）TEM囊泡形态。（d）dSTORM超分辨成像显示单个iMSC-NV共表达CD9、CD63与CD81。（e）四跨膜蛋白共表达定量分析。（f）共聚焦z轴堆栈显示DiO标记的iMSC-NV跨表皮分布于真皮层。（g）Ki67免疫荧光对比。（h）qRT-PCR分析炎症、增殖与基质相关基因变化。*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001，****p<0.0001。

三、自动化操作：从手动到标准化

研究团队系统对比了人工手动操作与ProMEPS®自动化处理对实验结果的影响（图5），核心发现如下：

加样精度：自动化模块将CV从手动2.54%–3.12%降至1.02%

TEER屏障：自动化处理基线电阻值更高，单元间数据波动更小

结构完整性：自动化操作不会破坏表皮-真皮双层细胞结构

分子表型稳定：核心基因（MKI67、OCLN、COL1A1）表达水平无显著变化

▸ 结论：ProMEPS®工作站可在维持类皮肤组织完整性与分子表型稳定的前提下，实现微生理系统的标准化、低变异自动化操作。

图5 使用ProMEPS®实现皮肤芯片自动化。（a）ProMEPS®工作站及功能模块。（b）手动与自动化加样体积对比（目标30 μL）。（c）空白对照、手动与自动化芯片的TEER测量。（d）自动化TEER在8个单元中的重复性与时间稳定性。（e）荧光成像显示细胞分布一致性。（f）三维横截面展示双层结构完整性。（g）核心基因表达在两种流程间无显著差异。ns表示无显著差异。

四、优势与局限性

平台优势

✅	生理相关性较强：成功构建表皮—真皮双室共培养微环境，模拟人体皮肤分层结构与细胞互作。
✅	自动化适配性优异：支持标准化液体处理与TEER实时监测，显著降低人为操作误差。
✅	分区解析能力：实现表皮、真皮层独立采样，便于开展深层分子机制研究。
✅	光照模型精准：底部微孔直照架构降低光学干扰，保障UVB辐射剂量均一性。
✅	多模态评估能力：同时适配预防性防晒成分筛选与损伤后再生修复评价两大场景。

当前局限

⚠️	细胞组分较为简化：采用永生化角质形成细胞，未引入黑色素细胞、免疫细胞等光响应关键类型。
⚠️	缺乏血管网络：未搭建可灌注微血管系统，难以模拟营养输送与免疫细胞迁移。
⚠️	仅有急性暴露：仅评估单次UVB暴露的急性反应，未探究慢性光老化进程。
⚠️	未用气液界面：为保障高通量采用浸没式培养，表皮角质化分化与屏障成熟度存在局限。

五、应用方向

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皮肤科学研究人员

该芯片可提供标准化UVB皮肤损伤模型，适用于解析光损伤分子通路、筛选新型光保护活性成分、探究皮肤再生修复机制，以及建立体外实验与体内功效的关联性研究。

🧴

化妆品与防晒产品研发人员

该平台可用于防晒产品功效定量评价、抗光老化活性成分高通量筛选、再生修复类护肤品功效验证，以及不同配方之间的横向对比测试。

🧫

再生医学与干细胞领域学者

iMSC-NV的应用结果为无细胞皮肤再生疗法提供概念验证，可用于优化纳米囊泡制备工艺、探索活性成分跨皮肤屏障递送策略、解析干细胞旁分泌信号调控机制，以及开发新型皮肤再生制剂。

六、结论与启示

该研究搭建的自动化辅助皮肤芯片平台，为紫外线诱导皮肤损伤的体外建模、光防护与再生干预策略评估，构建了一套创新标准化研究体系。其核心价值体现在三方面：

1	方法学整合：将微流控器官芯片技术与自动化工作站深度结合，推动皮肤研究向标准化、可规模化的自动化工作流程转型。
2	技术架构优化：直照式UVB暴露与双室独立检测架构，突破传统模型在光生物学中的剂量控制与机制解析瓶颈。
3	应用场景拓展：验证了防晒剂预防保护与纳米囊泡再生修复的可行性，为产品开发提供可靠的定量筛选平台。

后续对该平台进行优化升级——引入原代细胞、黑色素细胞、血管化模块，优化气液界面培养体系，开展长期重复UVB照射造模后——皮肤芯片有望成为衔接基础光生物学研究与临床护肤产品功效评价的重要技术平台。

原文信息

Automation-assisted human skin-on-a-chip for modeling ultraviolet-induced injury and evaluating photoprotective and regenerative modalities. DOI: 10.1039/d6lc00134c

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