Cell论文利用4D显微“定格动画”重构毛囊发育：新技术揭示无毛小鼠器官形成的时序崩塌

约翰霍普金斯医学院的科学家在一项新研究报告中称，他们开发出一种技术，能够捕捉数百个毛囊发育过程中的三维分子“快照”，并重构出第四维度——时间，从而形成这部微型器官形成的“定格动画”。该研究发表于《Cell》期刊。

科学家指出，毛囊是人体内最小、数量最多的器官，但其形成方式与其他器官相似。这一进展为理解某些先天性疾病患者器官发育如何出问题铺平了道路。

“我们建立的小鼠毛囊四维（4D）图谱，可作为理解器官发育宏观基本原理的模型系统，”该研究负责人、约翰霍普金斯大学医学院生物医学工程副教授Reza Kalhor博士说。

通过分析4D图谱，研究人员能够识别该器官形成过程中的不同阶段——一场涉及数千个细胞的复杂“编舞”。首先，前体细胞在空间中进行自我组织，建立垂直于皮肤表面的器官空间轴。接着，这些前体细胞分化为形成毛囊所需的多种细胞类型。最后，这些新细胞类型生长并形态转变为成熟毛囊，准备产生毛干。

该研究还进一步比较了正常小鼠与缺乏Foxn1基因（毛发生长关键基因）的无毛小鼠的毛囊。该论文合著者、约翰霍普金斯大学医学院皮肤病学教授Luis Garza医学/哲学博士说，这一比较可能有助于科学家理解导致脱发的医学状况如何发展，并可能为未来预防和治疗脱发提供新途径。

长期存在的成像挑战

科学家长期以来一直在寻找一种可视化器官随时间如何发育的方法。Kalhor说，这样做可能有助于更好地理解某些遗传性疾病如何影响器官发育，或捕捉肿瘤如何及何时发生，并可能导致更早的诊断和治疗。

“这一问题仍然复杂，因为器官由数百万个细胞在非常复杂、协调的过程中生成，”该论文第一作者、Kalhor实验室博士生Soichiro Asami说。“我们开发了一种解决这一可视化问题的技术，并将其应用于毛囊，因为毛囊有数百个，覆盖了器官发育的每个阶段。”

生物医学工程师Kalhor和Asami与Garza合作——Garza经常研究Foxn1小鼠作为理解毛发生长障碍如何发展并寻找新治疗方法的模型。Garza在本研究中为毛囊生物学提供了关键背景知识，并提供了正常和无毛小鼠的组织样本。

3DEEP如何构建图谱

研究人员开发了一种新的分子成像工具——3D DNase增强表达谱分析（3DEEP），使他们能够分析足够大的组织块，以捕捉正常小鼠和秃毛小鼠皮肤样本中的完整毛囊器官。

3DEEP从皮肤样本中去除基因组DNA——后者会干扰用于可视化对理解器官发育至关重要的脆弱信使RNA分子的化学反应。随后，研究人员标记了样本中数百万个RNA分子的位置，提供了组织内基因表达的精确三维空间图谱。

然后，科学家对这些复杂器官中的细胞类型进行分类，计算每个毛囊的“分子年龄”，并将毛囊从最年轻到最老排列，将正常和无毛小鼠皮肤的冰冻三维快照转化为三维定格动画。约翰霍普金斯大学生物医学工程助理教授Jean Fan创建了一个在线界面，用于探索和交互式观看这一动画。

“这些工具向我们展示了毛囊如何从皮肤的一个微小增厚生长为深层的成熟结构，”Garza说。“这是观察器官发生的一扇窗口。”

突变如何扰乱生长

科学家表示，通过比较正常小鼠和无毛小鼠毛囊样本的图谱，他们确定无毛小鼠的毛囊在形成过程中经历了发育延迟。值得注意的是，无毛小鼠毛囊细胞虽能以更高速度增殖（分裂和生长），但在正确时间成熟和承担特定角色的能力却减弱，从而破坏了器官发育的精细“编舞”，Kalhor说。

“Foxn1突变导致细胞通讯和时间安排的崩溃，使毛囊器官在毛发有机会形成之前就结构性地崩塌了，”Asami说。

通向患者特异性洞察之路

Garza表示，未来，这种可视化毛囊发育的技术有望帮助研究人员理解人类某些脱发状况的原因。

“最终，如果我们能将这项技术应用于人类，我们就能从每位患者身上获得更多信息，并帮助他们进行个体化治疗，”Garza说。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Soichiro Asami et al, Four-dimensional molecular mapping from a spatial snapshot reveals the dynamics of hair follicle organogenesis, Cell (2026). DOI: 10.1016/j.cell.2026.06.014.