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为解决人体组织活体成像难题，研究人员开发微针培养技术，实现皮肤组织长期培养与成像，推动皮肤病学研究。
在生命科学研究中，深入了解细胞、细胞外基质和附属物的结构与反应性，对揭示它们在人体中的功能和机制至关重要。过去十年，借助脱色技术的免疫荧光染色三维成像，帮助人们了解人体器官内部结构，但该技术需固定样本，无法用于活体成像。体内成像技术，像多光子显微镜，虽能分析动物体内细胞动态，可因其需要在麻醉下暴露器官，还常依赖基因工程产生荧光，并不适用于人类。临床诊断工具，如计算机断层扫描（CT）、正电子发射断层扫描（PET）、磁共振成像（MRI）和光声成像等，虽能提供人体深层三维图像，但在单细胞水平分析的分辨率不足，长期活体成像也因成像时间、成本和侵入性等问题受限。所以，开发一种能对培养的人体组织进行长期、单细胞水平分辨率的活体成像方法迫在眉睫。
FANCL 研究所以及北里大学医学院的研究人员，为了解决上述难题，开展了一项研究，旨在建立一种非侵入性的人体离体组织活体成像方法。他们以人体皮肤组织为研究对象，开发出基于微针的新型培养技术，并通过一系列实验进行验证。相关研究成果发表在《Scientific Reports》上。
在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们获取了来自 BIOPREDIC International（法国雷恩）的未固定人体腹部离体皮肤组织，以及北里大学医学院提供的用于活体成像的腹部离体皮肤组织，并遵循相关伦理准则和获得患者知情同意。实验采用两种培养方法，传统渗透培养（将皮肤组织置于细胞培养插入物中，使培养基从底部通过聚碳酸酯膜渗透）和微针输注培养（在传统方法基础上，用微针将培养基注入皮肤组织）。研究过程中，使用免疫荧光染色、TUNEL 染色来观察组织细胞情况，通过测量乳酸脱氢酶（LDH）和炎症细胞因子评估培养方法效果，利用共聚焦激光显微镜对样本进行成像分析 。
研究结果显示：
- 微针利于皮肤组织低侵入性长期培养：对比传统培养方法，微针培养的皮肤组织在 5 天后，表皮细胞核形态正常，未出现传统培养中细胞核变小且近圆形的损伤特征。培养 11 天后，传统培养的表皮和真皮分离，而微针培养的组织层仍保持结合。微针培养的皮肤组织 DNA 损伤程度低，培养上清液中 LDH、IL-6、IL-10、IL-1β 和 TNF 等水平显著低于传统培养（LDH：p=0.023 [第 2 天], p=0.002 [第 5 天], p=0.015 [第 7 天], p=0.015 [第 11 天]；IL-6：p=0.017 [第 1 天], p=0.001 [第 5 天], p=0.002 [第 7 天], p=0.0003 [第 9 天]；IL-10：p=0.011 [第 1 天]；TNF：p=0.012 [第 5 天], p=0.036 [第 9 天] ）。
- 皮肤附属器和脂肪组织的延时成像：利用新型培养方法，对带皮下脂肪的人体离体皮肤组织进行观察。用荧光探针标记细胞成分后，成功对毛细血管、毛囊等附属器以及皮下脂肪组织中的脂肪细胞进行延时成像，清晰捕捉到相关细胞和组织的动态变化。
- 离体人体皮肤组织表皮 - 真皮连接处的延时成像：在表皮 - 真皮连接处，观察到真皮中细胞的聚集和迁移现象，但表皮中未发现细胞动态变化。同时，检测到表皮细胞的活性氧（ROS）水平存在个体差异，真皮中细胞外基质有自发荧光，但细胞内 ROS 几乎检测不到。此外，还观察到真皮中弹性纤维向基底膜垂直延伸的结构，以及表皮和真皮细胞相互延伸、交流的现象。
- 基底层细胞膜运动的延时观察：对表皮 - 真皮连接处进行高分辨率、长时间的延时观察，发现基底层表皮细胞膜向真皮延伸，并拉扯真皮中的纤维和细胞，还观察到细胞膜的逆行流动现象，其流速为 2.4 - 5.8μm/min。
研究结论表明，微针培养技术能抑制人体离体皮肤组织的炎症和细胞毒性，有助于长期培养和活体成像，还可应用于其他离体器官。通过对人体离体皮肤组织多种结构的长期活体成像，捕捉到只有在活体组织中才会出现的细胞和组织状态及运动现象。该成像方法空间分辨率达数百纳米，时间分辨率为秒级，有助于分析细胞行为、结构和分子动力学，在单细胞水平进行研究，验证体外细胞培养的结果。不过，研究也存在局限性，如人体组织个体差异大，不同培养方法对基因和蛋白表达及皮肤功能的影响未知，微针培养降低细胞毒性的机制尚不明确，离体组织现象与活体是否一致也需进一步验证。
尽管如此，这项研究成果为皮肤病学研究开辟了新方向。它让科研人员能够更深入地探究皮肤代谢、再生以及对刺激和药物的反应机制，有助于开发治疗皮肤疾病的新方法。同时，微针技术未来有望应用于无痛、微创的皮肤给药治疗，在医学领域展现出广阔的应用前景。
