本文介绍了一项关于3D体外皮肤模型的研究，该模型被开发用于抗菌疗法的筛选。该研究由Simona Villata、Désirée Baruffaldi、Raquel Cue Lopez、Camilla Paoletti、Paula Bosch、Lucia Napione、Andrea M. Giovannozzi、Candido Fabrizio Pirri、Enrique Martinez-Campos和Francesca Frascella等作者共同完成，并于2024年12月12日发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。

研究背景

皮肤感染是全球性的健康问题，尤其是抗生素耐药性细菌的传播使得传统的抗生素治疗逐渐失效。传统的2D细胞培养和浮游细菌培养无法模拟复杂的感染环境，因此3D体外皮肤模型成为了测试和验证新型抗菌疗法的重要工具。本研究旨在开发一种广泛可用的3D体外皮肤模型，该模型能够平衡简单性、可重复性和复杂性，以模拟伤口、感染和治疗反应。

研究流程

研究分为多个步骤，主要包括： 1. GelMA合成：通过将明胶（gelatin）与甲基丙烯酸酐（methacrylic anhydride）反应，合成了甲基丙烯酰化明胶（GelMA），并进行了透析和冻干处理。 2. 皮肤模型的构建：将人类成纤维细胞（HFF-1）封装在GelMA水凝胶中，形成真皮层，随后在其上接种人类角质形成细胞（HaCaT），形成表皮层。模型经过14天或31天的培养，期间进行了空气-液体界面（ALI）培养以促进表皮分化。 3. 皮肤模型表征：通过免疫荧光染色、活/死细胞染色等方法对皮肤模型进行了表征，验证了表皮和真皮层的结构和功能。 4. 抗生素筛选：使用青霉素-链霉素（PS）对浮游细菌和2D细胞培养进行了抗生素筛选，确定了5%的PS浓度为最佳治疗浓度。 5. 皮肤模型感染与治疗：在31天成熟的皮肤模型上进行了伤口处理和细菌感染（金黄色葡萄球菌和大肠杆菌），随后使用PS进行治疗，并通过菌落形成单位（CFU）计数和基因表达分析评估了治疗效果。

主要结果

1. 皮肤模型的屏障效应：未受伤的表皮层能够部分阻止细菌的增殖，而整个系统对伤口和感染的反应复杂且完整。细胞外基质（ECM）的沉积和重塑、炎症反应、抗菌肽的产生以及细胞行为的变化（如上皮-间质转化和成纤维细胞-肌成纤维细胞转化）均被观察到。
2. 抗生素治疗的效果：PS治疗对两种细菌感染的效果不同，大肠杆菌的死亡可能释放了炎症性内毒素，导致更强的炎症反应。
3. 基因表达分析：通过液滴数字PCR（ddPCR）分析了伤口和感染对细胞行为和信号传导的影响，发现不同细菌感染导致了不同的细胞反应。

结论

本研究开发的3D体外皮肤模型具有模拟复杂皮肤屏障和感染反应的能力，能够用于测试新型抗菌疗法。该模型的简单性和低成本使其具有广泛的应用前景，未来研究将进一步整合血管成分和免疫细胞，以更好地模拟真实皮肤环境。

研究亮点

1. 创新性：本研究开发了一种新型的3D体外皮肤模型，能够模拟复杂的皮肤屏障和感染反应。
2. 广泛应用：该模型具有简单性和低成本，适合在多个实验室中推广应用。
3. 科学价值：该模型为抗菌疗法的筛选提供了可靠的平台，减少了对动物模型的依赖。

其他有价值的内容

本研究还揭示了抗生素治疗过程中细菌死亡可能导致的炎症反应，强调了在开发抗菌疗法时需考虑皮肤反应的复杂性。未来的研究将进一步探索该模型在更复杂系统中的应用，如整合血管和免疫细胞。