绘制人体皮肤伤口愈合的单细胞时空图谱，全面解析细胞动态与分子机制
绘制人体皮肤伤口愈合的单细胞时空图谱，全面解析细胞动态与分子机制
伤口愈合是维持皮肤完整性的关键过程，分为三个阶段：炎症、增生和重塑。这些阶段由多种细胞类型之间复杂的相互作用驱动。在增生阶段，再上皮化至关重要，它需要表皮角质形成细胞的迁移和增殖来覆盖伤口。再上皮化失败是导致慢性伤口形成（如糖尿病足溃疡和静脉性溃疡）中的常见原因，每年影响着全球数百万人。因此，迫切需要更有效的伤口治疗方法，但由于对人类皮肤伤口愈合的了解有限，该领域进展缓慢。
近日，来自瑞典斯德哥尔摩卡罗林斯卡医学院的Lande´n教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Stem Cell上发表了题为“Spatiotemporal single-cell roadmap of human skin wound healing”的研究性论文。在本文中，研究人员利用单细胞RNA测序（scRNA-seq）以及空间转录组测序（ST-seq）来监测不同愈合阶段的基因表达动态，完整展示了人类皮肤伤口愈合过程中的细胞动态和分子过程。
首先，研究采用单细胞RNA测序（scRNA-seq）和空间转录组学（ST-seq）技术，采集了从健康供体创伤边缘的连续样本，包括未损伤皮肤和术后第1天（炎症期）、第7天（增殖期）以及第30天（重塑期）的组织。这种同一供体多时间点的取样方法，最大程度减少了个体差异对数据分析的干扰。通过整合分析，研究鉴定了27个细胞簇，并进一步分为九种主要细胞类型：角质形成细胞、成纤维细胞、髓系细胞、淋巴细胞、内皮细胞、肥大细胞、周细胞和平滑肌细胞、黑素细胞和施万细胞。这些细胞类型在不同阶段呈现显著的时空变化特征，形成了再上皮化、肉芽组织形成等功能性微环境（图1）。
图1 人类皮肤伤口愈合的时空图谱
通过UMAP聚类分析，角质形成细胞被细分为九个亚群，包括三种基底层类型（迁移型、增殖型和静态型）以及五种棘层类型和一种颗粒层细胞类型。研究发现，伤后第1天（炎症期）迁移型基底层角质形成细胞（Bas-mig）和迁移型棘层角质形成细胞（Spi-mig）的比例显著升高，而颗粒层和部分棘层细胞的比例降低。这表明创伤边缘的角质形成细胞迅速从静态分化状态转向迁移状态，从而推动伤口的再上皮化。此外，研究通过空间数据解卷积和RNA-FISH验证发现，Bas-mig和Spi-mig在创面前缘高度集中，围绕增殖型基底层细胞（Bas-prolif），这一特征在增殖期（第7天）达到高峰（图2）。
图2 人类伤口重新上皮化的时空剖析
在角质形成细胞的迁移过程中，研究通过基因网络分析和体外实验确定了FOSL1是关键调控因子。FOSL1的表达在Bas-mig和Spi-mig细胞中显著上调，其调控的基因功能集中在细胞迁移、细胞骨架重塑和应激反应。研究通过siRNA敲低FOSL1的表达，观察到角质形成细胞的迁移能力显著降低；相反，FOSL1的过表达显著促进细胞迁移。此外，CXCL1等促炎因子通过激活ERK通路，增强了FOSL1的稳定性，进一步验证了其在调控角质形成细胞迁移中的作用（图3）。
图3 FOSL1是角质形成细胞迁移的关键驱动因子
炎症期，髓系细胞（特别是巨噬细胞）的比例显著增加，并在创伤修复中扮演了重要角色。研究鉴定了四种巨噬细胞亚群，其中促炎巨噬细胞（Mac_inf和Mac1）在第1天和第7天达到高峰。基因集富集分析显示，这些促炎巨噬细胞主要通过糖酵解和氧化磷酸化提供能量，以支持吞噬和活性氧（ROS）产生等抗菌功能。此外，多重配体-受体分析揭示了巨噬细胞分泌的CXCL1和CXCL5对角质形成细胞迁移的促进作用，这种效应依赖于FOSL1的表达。
增生期，成纤维细胞显著增加并分化为四种亚群：间充质型（FB-I）、促炎型（FB-II）、乳头型（FB-III）和增殖型（FB-prolif）。其中，增殖型成纤维细胞在第7天占据主导地位，通过分泌细胞外基质和信号分子，为角质形成细胞的迁移和伤口闭合提供物质基础。此外，RNA速度分析显示，FB-I逐渐向FB-II和FB-III分化，形成多样化的细胞群，适应不同的修复需求（图4）。
图4 成纤维细胞在增生阶段促进重新上皮化中发挥重要作用
通过与静脉性溃疡（VU）和糖尿病足溃疡（DFU）数据的整合分析，研究发现慢性伤口的角质形成细胞迁移受损与炎症反应异常密切相关。特别是，慢性伤口中促炎巨噬细胞比例较低，而TGF-β等促修复因子却异常高表达。
通过人类和小鼠创伤的转录组比较分析，研究发现两者在细胞类型和基因调控方面既有共性也有显著差异。例如，小鼠伤口中迁移型角质形成细胞常具有增殖能力，而在人类伤口中迁移和增殖区域分布明确分离。这些差异表明，人类伤口修复的复杂性可能需要特异化的治疗策略（图5）。
图5 人类与小鼠皮肤伤口愈合的比较
总的来说，这篇文章通过构建人体皮肤伤口愈合的高分辨率时空图谱，填补了人体创伤修复过程中的知识空白，为慢性伤口的治疗提供了潜在的新靶点和思路。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1934590924004120