Cell：繪制4D分子圖譜，揭開毛囊形成的動態過程

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

要想理解器官形成，需要在三維空間和發育時間中同時捕獲分子信息，從而重建器官在四維中的發育過程，然而，目前的方法要么犧牲空間分辨率，要么犧牲時間分辨率，難以同時獲取所有維度的分子信息。

2026 年 7 月 1 日，約翰·霍普金斯大學的研究人員在國際頂尖學術期刊Cell上發表了題為：Four-dimensional molecular mapping from a spatial snapshot reveals the dynamics of hair follicle organogenesis 的研究論文。

該研究開發了三維 DNase 增強表達譜分析（3DEEP）技術，這是一種通過去除基因組 DNA 將空間轉錄組學分析范圍延伸至完整組織內數百微米深度的組織透明化方法。將 3DEEP 技術應用于新生小鼠皮膚，研究團隊捕獲了其器官發生軌跡中數百個發育中的毛囊。通過分子推斷的發育年齡對毛囊進行排序，將這一單一空間快照轉化為器官發生的四維（三維空間 + 一維時間）分子圖譜。該圖譜揭示了從干細胞區室分層、毛囊內新型細胞亞型的出現，到毛管形成的級聯結構轉化等發育動態。對 Foxn1 缺陷的無毛小鼠的比較分析顯示，在明顯結構缺陷出現之前，發育動力學已發生全器官范圍的變化（包括分子進程延遲、協同性降低和發育不穩定性增加）。這項工作展示了深層組織空間轉錄組學如何揭示器官形成中隱藏的動態過程。

器官形成是一個動態過程，涉及新細胞類型的有序出現，以及它們協調生長并組裝成具有特定功能的三維（3D）結構。要理解這一過程并描述其在先天性異常中如何受到干擾，需要同時在時間和空間維度上進行追蹤。雖然可以通過超聲或磁共振成像等影像手段追蹤宏觀解剖變化，但要想在分子水平上實現時空追蹤卻頗具挑戰。目前的方法通常需要犧牲分子細節（例如活體成像）、空間組織（例如解離的單細胞圖譜）或時間分辨率（例如空間圖譜）。要完整捕捉器官組裝的動態過程，需要在三維空間和時間維度上同時繪制器官發生過程——也就是在四維（4D）中進行。

毛囊（Hair Follicle）是哺乳動物的微型器官和標志性特征，為器官發生過程的四維（4D）映射提供了獨機會。與其他器官不同，毛囊在胎兒期及出生后早期會持續不斷地被誘導形成。在此期間的任意時間點，皮膚中都含有大量處于不同發育階段的毛囊。這種發育的異步性使連續取樣方法變得復雜，但結合毛囊體積小的特點，卻創造了新的機遇：通過一次空間快照即可捕捉數百個覆蓋整個器官發生軌跡的毛囊，并按其發育階段進行排序，從而僅憑一張空間圖像便能重建器官發生的時序維度。

盡管在 4D 成像方面具有獨特性，毛囊的形成過程涉及與其他器官共有的發育機制，包括不同胚層之間的協調。表皮譜系（外胚層）貢獻角質形成細胞——毛囊的主要細胞，這些細胞在毛囊形成期間內陷進入真皮層，構成毛囊結構的主體并最終生成毛干本身。神經嵴譜系（外胚層）主要貢獻黑色素細胞，它們從皮膚表面遷移進入毛囊，為毛發提供色素。真皮譜系（中胚層）貢獻成纖維細胞，它們形成包裹毛囊的真皮鞘以及毛囊球基底部的真皮乳頭（dermal papilla）。這些成纖維細胞在毛囊形成期間提供指示性信號，并在整個生命周期中調控其再生。因此，毛囊不僅特別適合進行 4D 成像，也為理解多種細胞類型如何在器官發生過程中出現和組織提供了廣泛信息。

然而，要實現這一潛力，必須克服一個解剖學上的挑戰。毛囊深入皮膚達 200-400 微米（μm），其結構在三個軸向上均復雜、彎曲且無規律重復，因此難以通過依賴薄層二維切片的空間轉錄組學方法完整捕捉。。因此，要完整捕捉毛囊，就需要采用厚組織空間轉錄組學技術。

在這項新研究中，研究團隊開發了三維 DNase 增強表達譜分析（3D DNase-Enhanced Expression Profiling，3DEEP）技術，這是一種凝膠包埋和組織透明化方法，通過去除基因組 DNA 來改善探針滲透和酶處理效率，從而在厚度達 400 微米的切片上實現高信號強度的空間轉錄組學分析。

研究團隊將 3DEEP 技術應用于野生型的新生小鼠皮膚，從超過 40 萬個細胞中識別出 224 個基因的 3000 萬個轉錄本，在 3D 空間中分離出 600 多個處于不同器官發生階段的完整毛囊。每個毛囊的分子組成反映了其發育階段，從而能夠計算整個器官的偽時間，將毛囊沿其發育軌跡排序，最終創建了毛囊器官發生的 4D 分子圖譜。該圖譜可通過交互式在線瀏覽器訪問（https://jef.works/CellCarto-3DEEP/），

研究團隊進一步揭示了毛囊器官發生過程中三個不同的分子階段動態：第一階段以軸向模式和干細胞分層為特征，第二階段為結構多樣化和毛囊球形成，第三階段為快速生長和通道形成。研究團隊還分析了 Foxn1 缺陷的無毛小鼠，捕獲了超過 40 萬個細胞中的 2300 萬個轉錄本，分離出 262 個完整毛囊。比較分析揭示，無毛表型涉及發育動力學的全器官范圍變化——包括分子進程延遲、協同性降低和不穩定性增加——這些變化先于明顯的結構缺陷。

總的來說，這些發現展示了深度組織空間轉錄組學如何能夠揭示器官組裝過程中原本隱藏的 4D 動態。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(26)00702-6