2022 年，猴痘（mpox）疫情首次在非洲以外的 100 多个国家/地区大规模暴发，被世界卫生组织宣布为"国际关注的突发公共卫生事件"。与天花病毒同属正痘病毒属的猴痘病毒（MPXV）最典型的临床表现恰恰是皮肤病变——生殖器肛周部位皮损在 2022 年疫情中尤为常见，部分患者还出现剧烈疼痛、全身播散与继发细菌感染。然而，MPXV 研究领域长期缺乏能真实重现人皮肤感染的实验模型：现有体外模型全部基于永生化细胞系，无法概括人皮肤的多层结构与附属器；多种动物模型虽支持病毒复制，却通常不出现人类患者所见的皮肤表现。模型缺位直接制约了病毒—宿主互作研究与药物评价。
2023 年 10 月 12 日，荷兰伊拉斯姆斯大学医学中心 Qiuwei Pan 团队联合莱顿大学医学中心 Karine Raymond 团队在 Nature Microbiology 发表研究论文（Nat. Microbiol. 2023;8:2067–2079），系统评估了人诱导多能干细胞（hiPS）来源皮肤类器官对 MPXV 的支持能力。该团队以 2022 年暴发疫情的皮疹来源临床分离株（European Virus Archive，010V-04721）攻击三个分化阶段（第 55 天毛芽期、第 90 天毛钉期、第 130 天含毛囊终末期）的皮肤类器官及气—液界面（ALI）培养体系，从病毒复制动力学、超微结构、转录组与药物干预四个层面建立了迄今最接近人皮肤生理的 MPXV 感染与药物评价模型。
图1. 早期（第 55 天）皮肤类器官支持 MPXV 感染（原文 Fig.1）。a：类器官明场图像；b–d：细胞内与培养上清中病毒基因组拷贝数 7 天内升高约 3 个数量级，上清感染性滴度由约 1.5–2 log₁₀ 升至 3.7 log₁₀ PFU/mL；e：dsRNA 与 KRT5/KRT15 共定位证实角化上皮细胞受染；f–h：透射电镜（TEM）显示以未成熟与成熟病毒体为主的胞内病毒颗粒及中间装配形态。
发现一：从毛芽到含毛囊终末期，各阶段皮肤类器官均支持 MPXV 生产性感染
hiPS 皮肤类器官的一个显著特点是"倒置"构型——真皮层朝外接触培养环境、表皮层朝内，并带有毛囊、皮脂腺等附属结构。研究以约 10⁵ PFU 的病毒攻击后，三个独立 hiPS 细胞系的感染动力学完全一致，后续结果合并分析。第 55 天早期类器官中，细胞内病毒基因组 7 天升高 3 个 log₁₀，上清病毒 DNA 持续攀升并于 7 天达约 9 log₁₀ 拷贝/mL，感染性滴度同步升高；免疫染色显示病毒复制中间体双链 RNA（dsRNA）与基底/中间层角蛋白 KRT5、KRT15 共定位于同一细胞，直接锁定角化上皮细胞为支持感染的主要细胞类型。第 90 天晚期类器官复现了相似结果：分泌型病毒滴度从 1 小时的 2.4 log₁₀ 升至 7 天的 5 log₁₀ PFU/mL；全器官包埋免疫染色在 KRT5 阳性区域广泛检出病毒 dsRNA。第 130 天终末期类器官已形成完整毛囊结构，接种后同样呈现约 3 个 log₁₀ 的复制增长与约 2 个 log₁₀ 的分泌与滴度增长，表皮面 MPXV 与基底膜标志物整合素 β4 共染清晰定位感染灶。
图2. 晚期（第 90 天）皮肤类器官中的 MPXV 感染与病毒颗粒（原文 Fig.2）。b–d：细胞内与上清病毒载量及感染性滴度动态；e–h：全器官包埋与冷冻切片免疫染色显示 KRT5 阳性细胞中的病毒 dsRNA；i：TEM 显示基底层角化细胞内大量病毒体（可见基底膜、半桥粒等特征结构）。
发现二：透射电镜完整捕捉痘病毒胞内装配的四个阶段
参照痘苗病毒的经典认识，正痘病毒胞内装配依次经历月牙形前体（crescent）、未成熟病毒体（IV）、成熟病毒体（MV）与经高尔基体/内体包裹的包裹型病毒体（WV）四个阶段，但 MPXV 的胞内装配此前缺乏直观的超微结构证据。本研究在终末期类器官的 TEM 分析中完整捕获了这四个相继阶段，并观察到病毒工厂的纤维状形态、病毒浆进入未成熟病毒体的动态过程，以及感染晚期出现的细胞降解；在 ALI 培养体系中同样捕获了未成熟病毒体正在形成的瞬间。值得一提的是，近期对痘苗病毒的研究在经典两型（未成熟/成熟）之外还描述了多种中间形态，本研究在皮肤类器官中观察到的装配中间步骤为痘病毒形态发生研究提供了新的组织学背景。
图3. 终末期（第 130 天，含毛囊）皮肤类器官中的 MPXV 感染（原文 Fig.3）。b–d：病毒载量与感染性滴度增长；e–f：全器官包埋与单层光切显示 MPXV（绿）与整合素 β4（红）共定位；g：TEM 完整呈现月牙体、未成熟病毒体（IV）、成熟病毒体（MV）与包裹型病毒体（WV）四个装配阶段；h：角化细胞内的病毒颗粒。
发现三：转录组层面——病毒基因大量表达与宿主皮肤稳态失衡
作为大型双链 DNA 病毒，MPXV 可转录数百个基因。对第 90 天类器官的转录组分析显示，接种后 1 小时病毒基因几乎不表达，至第 7 天大量病毒转录本密集映射于参考基因组各位置。宿主方面，主成分分析清晰呈现感染后转录组的整体重塑；基因本体分析显示免疫应答、自噬与抗病毒通路显著上调，而皮肤发育与角质化通路显著下调——提示感染扰乱了类器官的皮肤稳态。基因集富集分析进一步指向自噬、凋亡、坏死性凋亡与铁死亡。在单基因层面，与皮肤病理相关的上皮源细胞因子 TSLP 与 IL-36γ 于感染第 7 天显著上调；更值得注意的是，棘层标志物 KRT1/KRT10 及皮肤屏障相关基因（FLG、FLG2、DSG1、DSC1）大幅下降，而基底细胞标志物 ITGA6、ITGB4、KRT14 反而上调，呈现"基底层化"的去分化特征，提示感染可能损害类器官的皮肤屏障功能。
图4. MPXV 感染类器官的转录组分析（原文 Fig.4）。a–b：病毒转录本定位与相对丰度热图（7 天时大量表达，特考韦瑞治疗组显著回落）；c：PCA 显示感染重塑宿主转录组、治疗组与未感染对照聚在一起；d：基因本体富集；e：TSLP/IL-36γ 上调、棘层与屏障基因下调、基底标志物上调，特考韦瑞处理使上述变化回到基线。
发现四：特考韦瑞早期给药有效，延迟给药效力大打折扣
特考韦瑞（tecovirimat）是 FDA 批准治疗天花的抗病毒药物，通过抑制病毒包膜蛋白 VP37 阻断细胞外病毒形成，已被探索用于 MPXV 治疗但临床疗效尚无定论。研究首先模拟早期给药场景（接种后 1 小时），设置了 0.1 μM 至临床可达血药浓度（1、5 μM）的梯度：病毒 DNA 分泌在 96 小时即被显著抑制，7 天时抑制作用进一步增强；1 或 5 μM 处理 7 天后空斑实验检测不到感染性病毒，细胞内病毒 DNA 下降约 2 个 log₁₀；病毒转录本占比由未治疗的 40% 骤降至 0.85%；宿主转录组重塑被完全阻止——治疗样本在 PCA 上与未感染对照聚为一类，TSLP/IL-36G 回落至基线，棘层与屏障基因所受抑制被解除。延迟给药场景则结果迥异：第 4 天才开始以 1 μM 给药，第 6–10 天（对应给药后 2–6 天）上清病毒 DNA 未见抑制，第 12、14 天仅轻度下降；感染性滴度在给药后 6 天才出现约 2 个 log₁₀ 的下降。作者援引一项纳入 49 例美国患者的观察——症状出现至首次给予特考韦瑞的中位时间为 7 天——指出早期启动治疗在临床上具有现实意义，这一延迟给药模型为临床治疗窗的界定提供了直接的实验参照。
图5. 特考韦瑞早期与延迟治疗的效果（原文 Fig.5）。a–f：早期给药（1 hpi）显著抑制病毒 DNA 分泌与感染性病毒产生，1/5 μM 组 7 天空斑检测阴性，病毒转录本占比 40%→0.85%；g：治疗阻止宿主转录组重塑；h–j：延迟给药（4 dpi）仅呈轻度且迟发的抑制作用。
发现五：ALI 培养体系进一步贴近人皮肤生理，"从上皮面接种、经真皮面给药"
气—液界面培养是皮肤类器官技术的最新进展：类器官被解剖后种植于胶原包被的 transwell 上，真皮面接触培养基、表皮面暴露于空气，成熟后形成带有毛发毛囊、更接近人皮肤生理的结构。本研究将 MPXV 接种于表皮面，模拟病毒经皮肤上皮入侵的自然途径，真皮侧培养基中病毒分泌持续增加（7 天逾 2 个 log₁₀），感染性滴度升至 3 log₁₀ PFU/mL。特考韦瑞经培养基给药以模拟体内药物吸收：7 天治疗后分泌病毒基因组下降约 2 个 log₁₀，未治疗组 3 log₁₀ PFU/mL 的感染性病毒在治疗组中完全检测不到。H&E 染色与免疫染色证实 ALI 类器官的分层结构（基底 KRT5、棘层 KRT10、颗粒层 LOR）与人皮肤高度相似，TEM 则观察到角蛋白束、桥粒、胶原纤维等典型皮肤结构及四个装配阶段的病毒体。至此，从早期到终末期、从游离到 ALI，模型体系完整覆盖了 MPXV—皮肤互作研究的主要需求。
图6. ALI 培养皮肤类器官中的 MPXV 感染与抗病毒治疗（原文 Fig.6）。b–e：表皮面接种后病毒自真皮面持续分泌，特考韦瑞经培养基给药使感染性病毒完全检测不出；f–g：H&E 与免疫染色显示类器官分层结构与人皮肤相似、病毒颗粒分布于表皮与真皮层；h–i：TEM 显示未成熟病毒体形成过程及四个装配阶段。
局限与展望
作者对模型边界作了明确说明：皮肤类器官虽重现了表皮分层与附属器结构，但缺失免疫细胞组分，无法反映感染局部的免疫应答；类器官的"倒置"构型与人皮肤的生理朝向仍有差异，ALI 体系对此有所改进但尚未完全解决。此外，本研究使用单一临床分离株，不同分支毒株的复制与致病差异有待扩展；特考韦瑞的作用机制（阻断细胞外病毒）与观察到的"延迟给药效力下降"之间的因果关系，亦需在模型中进一步解析。作者展望，未来可引入相关免疫细胞群体、利用患者来源的 hiPS 细胞构建个体化模型，并将该体系用于 MPXV 致病机制（如皮肤炎症与免疫病理）与新药、联用方案（如特考韦瑞与布林西多福韦）的系统性评价。
综之，这项研究将 hiPS 皮肤类器官确立为 MPXV 研究的稳健模型：三个分化阶段与 ALI 体系均支持病毒生产性感染，TEM 完整捕获四阶段装配，转录组揭示病毒基因大量表达与皮肤屏障相关程序的下调，特考韦瑞的早期/延迟给药差异与 ALI 给药模拟为临床治疗窗提供了实验参照。对于以皮肤病变为核心表现的 mpox 而言，这一"能够感染、能够成像、能够给药"的人源模型，恰补上了病毒—宿主互作研究与抗病毒评价的关键一环。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41564-023-01489-6
论文信息：Li P, Pachis ST, Xu G, et al. Mpox virus infection and drug treatment modelled in human skin organoids. Nat Microbiol 2023;8(11):2067–2079.
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