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[其他] 毛囊干细胞在皮肤创伤修复中的作用

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发表于 2018-6-13 14:04 | 显示全部楼层 |阅读模式

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摘自:(裴卓,周聪,张一鸣,等.毛囊干细胞在皮肤创伤修复中的促进作用[J/CD].中华细胞与干细胞杂志(电子版), 2017, 7(6))

皮肤,是人体与外界环境之间的第一道屏障,具有阻断 外来物质入侵、防止理化损伤、阻止体液流失、感受外界刺 激、调节体温、分泌活性物质等重要生理功能 。皮肤同时 也是最易受创伤损害的器官,一旦皮肤创伤而未得到有效 修复,将对机体产生不小的影响,给患者家庭及社会带来极 大的经济负担及社会负担。创伤愈合是人体损伤后机体所 做出的一系列为维持自身内环境稳定和机体功能恢复的复 杂活动,是由多种不同细胞和特定的局部微环境相互作用共 同完成的。创伤后,损伤局部的微环境发生变化,不同的细 胞成分被激活,随后迁移至损伤局部进行增殖、分化等,进而 参与组织修复 。








毛囊干细胞(hair follicle stem cells,HFSCs)是存在于 毛囊外根鞘隆突部的一种成体干细胞,具有自我更新能力强和周期长的生物学特性。同时,其超微结构和生化特征都拥 有未分化细胞的共同特点,具有多方向的分化潜能,可在体 外定向分化为外胚层谱系细胞神经元细胞,星形胶质细胞, 少突胶质细胞,雪旺细胞和中胚层谱系细胞软骨细胞,脂肪 细胞,肌细胞,骨细胞,以及黑色素细胞,汗腺细胞,角质形成 细胞等。正常状态下,毛囊干细胞不参与皮肤表皮层的 自我更新。但当皮肤受到创伤时,毛囊干细胞可被激活而 迁移伤口边缘,来帮助伤口的修复和皮肤的再生。作为促 进创面愈合的重要干细胞,毛囊干细胞在创伤修复过程中 受到 Wnt、BMP、Notch 等多种信号通路调节,受到 LHX2、 KLF4 等不同的转录因子的调控以及酶类、神经元等因素的 干预 。这样,不仅有利于毛囊干细胞在创伤部位的迁移、 增殖与不同方向的分化,也可以通过基因修饰、诱导血管内 皮细胞形成等方面使创面皮肤早期血管化,更能通过诱导使 表皮和皮肤附属器官等皮肤主要结构再生,促进毛发再生和创伤后早期表皮修复。






此外毛囊干细胞还具有数量可观、使用较为安全等特 点,可作为种子细胞参与组织工程全层皮肤的构建以及皮肤 损伤后损伤组织的再生重建,在毛囊再生、血管重建、表皮及皮肤附属腺体的再生重建等一系列皮肤修复过程中均具有 重要作用。目前已可以通过利用皮脂腺捕捉相邻毛囊干 细胞、流式细胞仪分选、 “两步酶”法、显微分离原代培养等 方法获得大量的毛囊干细胞样本。毛囊干细胞在皮肤创 伤修复中的实际作用主要体现为以下几个方面。



一、促进毛囊再生


毛囊是由表皮向下凹陷深入真皮而成的管状囊样结构, 其上皮成分包括内根鞘和外根鞘,真皮成分包括毛乳头和真 皮鞘。毛囊的发生和生长是由毛囊上皮成分和真皮成分相 互调节共同作用来维持的。这种微小器官可由位于毛囊 隆突部的干细胞分化补充形成 。研究表明表皮的干细胞 中长周期干细胞主要参与皮肤代谢,短周期细胞则主要参与 组织损伤的修复。毛囊干细胞作为一种存在于毛囊隆突部的 重要细胞,在组织损伤后毛囊的再生过程中发挥重要作用。 毛囊干细胞被激活恢复增殖潜能进入毛囊周期后,可打破与 相邻细胞和基质间的连接,进行干细胞重排形成胚芽,并最终分化形成毛囊。毛囊形成的过程中首先形成毛囊外根鞘 继而再分化为其他部位,胸腺素 β4 在毛囊干细胞的分化迁 移及毛囊再生过程中具有促进作用。在整个毛囊再生过程中毛囊干细胞的激活极为重要。 Qiu 等人通过大量实验证明毛囊再生的整个过程都必须 建立在毛囊干细胞被成功激活的基础上。许多活性分子如 成纤维细胞生长因子 7、成纤维细胞生长因子 10、转化生长 因子 b2、TPA 等都可以用来激活毛囊干细胞。TPA 在毛囊 干细胞激活的过程中主要是通过诱导 Akt 信号活化、促进干 细胞增殖,进一步激活 Wnt/β 连环蛋白信号通路来发挥作 用,但是 Wnt/β 连环蛋白信号通路只是负责生长期毛发的生 长而不能激活毛囊干细胞,目前毛囊干细胞的第一个活化信 号通路仍有待研究。 各项研究表明毛囊干细胞促进毛囊再生的实质是细胞 依附于基质上并在各种信号作用下进行定向移动、分化,各 种因素相互作用相互促进所导致。除了毛囊干细胞,毛乳头 细胞在毛囊的发生中同样不可或缺,毛乳头细胞连同毛囊干 细胞一起相互作用主导着毛囊的再生。谭挺等联用显微 分离培养与免疫磁珠法分离纯化人毛囊干细胞并将毛囊干 细胞同毛乳头细胞混合培养移植后可见有新生的毛囊组织 出现并具有毛发周期,证明了毛囊干细胞和毛乳头细胞两种 细胞可通过相互作用、相互传递信号来促进毛囊周期性的生 长和形态发生。


二、促进血管再生

血管一般由内、中、外三层膜结构构成,分别以内皮细 胞、平滑肌纤维和结缔组织为主要组成成分。其中血管内皮 细胞在血管正常生理功能的维持中占有主导地位。血管内 皮细胞不仅可以维持血流的稳定,维护血管壁的完整,稳定 物质交换的平衡,而且可以分泌一系列的活性物质参与凝血与抗凝活动,调控血压,促进白细胞迁移等。平滑肌细胞通过自身的肌源性活动以及分泌活性物质与血管内皮细胞 一同参与血管正常功能的运转。

毛囊干细胞可通过分化成为血管内皮细胞和平滑肌细 胞来促进血管的再生重建以及损伤血管的功能恢复。Wang 和 Quan  将血管内皮生长因子 165 基因修饰鼠毛 囊干细胞接种入适合毛囊干细胞培养的具有良好组织相容 性和生物降解性的三维支架,发现该行为可以加速早期血管 化并促进皮肤伤口修复,揭示了毛囊干细胞可分化为内皮细 胞,促进新生血管的再生能力。杜伟斌建立了更简单、 可靠的毛囊干细胞体外定向分化为血管内皮细胞的方法,将 毛囊干细胞体外置于 10 ng/ml 血管内皮生长因子 165 环境 下进行诱导, 1 周后即可得到性能良好的血管内皮细胞。由 上可观血管内皮生长因子 165 在毛囊干细胞分化成为内皮 细胞的过程中具有重要作用,Quan 等 通过显微切割技术 对毛囊干细胞向内皮细胞的诱导分化展开进一步的研究,阐 明 Notch 信号通路在此过程中所起的作用,并得出结论血管 内皮生长因子 165 对毛囊干细胞定向分化为内皮细胞具有 至关重要的作用,是目前诱导毛囊干细胞定向分化为内皮细 胞的最有效方法。

毛囊干细胞不仅可以分化成为血管内皮细胞还可分化 成为平滑肌细胞来参与血管膜结构的重建。许志成等  采 用单一诱导因子 PDGF-BB 对毛囊干细胞进行诱导,成功诱 导毛囊干细胞自身增殖并向平滑肌纤维进行分化,证明毛囊 干细胞可被诱导分化成为平滑肌细胞。Liu 等 将绵羊毛 囊干细胞纯化培养形成具有正常收缩功能的平滑肌细胞,进 一步验证了毛囊干细胞可分化为平滑肌细胞形成血管壁细 胞的潜力。

各种相关研究证明,通过分化成为血管组成细胞,毛囊 干细胞可以生成新生血管,并且这些新生血管均具有一定的 生理功能,其内皮细胞可相互连接,平滑肌细胞具备自然收 缩功能,且都具有各自的特异性标志物 CD31、血管内皮生长 因子和平滑肌 α 蛋白等 。

在损伤修复中新生血管能够为创伤组织提供血供、营养 物质并为炎症细胞提供浸润通道,在伤后的组织存活及再生 方面起到关键性作用。而毛囊干细胞则可促进损伤皮肤血 管生成,因此毛囊干细胞可以被视为一个理想的细胞来源, 用于血管组织工程和细胞移植治疗缺血性疾病,对于皮肤的 损伤修复具有重要作用


三、促进皮肤附属器汗腺、皮脂腺的再生重建

皮肤与其附属器之间相互依存共同作用,一同维持着人 体内环境的稳定和机体正常功能的行使,因此皮肤损伤后皮 肤附属器官的功能恢复显得同样至关重要。

存在于毛囊外根鞘的毛囊干细胞在体外分离纯化后,可 在特殊的微环境诱导下向毛发、毛囊、皮脂腺和表皮等组织 进行转化,用于组织再生和创伤修复,同时毛囊干细胞也可 合成分泌 β-NGF 进一步促进创伤修复 。

汗腺是哺乳动物体内特有的一种外分泌腺,是皮肤的重 要附属器官,其主要功能是排汗和分泌汗液,以此来调节机 体体温和维持内环境的稳态。王瑶等  利用由热休克的汗 腺细胞和 transwell 细胞培养板建立了一种特殊的毛囊干细 胞共培养体系,并在该共培养微环境中成功将毛囊干细胞诱 导分化为汗腺细胞,证明了毛囊干细胞作为一种成体干细胞 具有治疗汗腺缺失的潜能。Wang  也通过构建特殊的 微环境对毛囊干细胞进行诱导从而证明毛囊干细胞的多向 分化潜能和促进汗腺再生的功能。

皮脂腺也是皮肤重要的附属结构之一 , 具有抗炎、抗氧 化和抵抗外来微生物入侵等作用,用以保证皮肤的结构完整 及功能正常。在皮肤损伤后,毛囊干细胞可通过促进皮脂腺 再生来保证皮肤结构和功能的恢复。Panteleyev 等人以 HRS/J 无毛小鼠实验有力地证明了该结论。他们利用毛囊 生长停止毛发消失但隆突部细胞以及皮脂腺被完好保留的 无毛小鼠进行实验,用仅阻断皮脂腺生长而不影响隆突部细 胞的二氧(杂)芑对无毛小鼠进行处理, 9 天后可见皮脂腺完 全消失,并且毛囊隆突游离于表皮下。而在停用二氧(杂)芑 2 天后在隆突区可见新的皮脂腺出现。观察未经二氧(杂) 芑处理的小鼠可发现,出生 30 d 后隆突部周围被皮脂腺细 胞包绕,低分化的皮脂腺细胞靠近隆突部,高分化的皮脂腺 细胞远离隆突部。这些细胞动力学实验均表明,正常生理情 况下毛囊隆突部来源的细胞具有分化成为皮脂腺细胞的能 力。因此,毛囊干细胞可在适宜的微环境下被诱导分化成为 皮脂腺细胞用以促进皮肤损伤过程中皮脂腺的再生重建。

综上,毛囊干细胞可利用其多向分化潜能的特性分化成 为各种附属器官组成细胞,促进皮肤附属器的再生重建。


四、促进神经组织修复和再生

毛囊干细胞可向神经细胞分化的潜能由 Sieber-Blum 等和 Amoh 首先提出。他们将毛囊干细胞移植至 切断的坐骨神经和损伤脊髓处,发现其可转化为雪旺细胞。 Amoh 等也在体外实验发现,从毛囊隆突区分离的 K15 阴性、CD34 阳性的 ND-GFP 毛囊干细胞能分化为神经细 胞和神经胶质细胞。目前为止研究人员已发现多种物质均 可用来诱导毛囊干细胞向神经细胞的分化,如神经营养因 子 -3,脑源性神经营养因子 [2],双丁酰环磷腺苷联合 3- 异 丁基 -1- 甲基黄嘌呤(IBMX) 等。

此前的种种研究都证明毛囊干细胞对于神经组织的修 复再生具有重要作用。无论是体外还是体内,毛囊干细胞都 可在移植后成功分化为神经细胞,用于治疗脊髓损伤 和 阿尔茨海默病 等神经性疾病,参与神经损伤修复。然而 近期研究表明皮肤干细胞更易于毛囊干细胞向神经元细胞 方向分化,毛囊干细胞则倾向于向黑色素细胞分化 。目前由于其他各方面因素的影响,实际皮肤修复过程中对于这 两种细胞的选取还有待进一步的研究,但是毛囊干细胞对于 神经修复和再生具有一定的促进作用不容置疑。


五、参与皮肤表皮的重建

表皮位于皮肤的浅层,由角化的复层扁平细胞构成,由 基底至表面可分为五层,分别是 : 基底层、棘层、颗粒层、透明 层和角质层。基底层的基底细胞是未分化细胞具有一定的 分化潜能,其中的新生细胞可逐渐向浅层移动分化为其他几 层表皮细胞。然而实际临床实验中皮肤损伤时主要是以毛 囊干细胞作为种子细胞来重建表皮结构,当表皮严重受损时 毛囊干细胞可向创伤部位迁移并形成新的表皮细胞来促使 伤口愈合 。Heidari 等 利用形态学分析以及组织学分 析的方法证明,有毛囊干细胞存在的皮肤创伤组织更易形成 血管且更易分化成为表皮细胞,组成具有多种功能的表皮 结构。

将毛囊干细胞在细胞胶原凝胶混合物中培养 25 d,可见 分化良好的表皮、真皮以及毛发结构出现,并且表皮结构具 有明显的基底层、棘层、角化不完全的角质层 。在毛囊干 细胞形成表皮的过程中,成纤维细胞作为主要的基质成分促 进表皮细胞的增殖分化、迁移,调节表皮细胞的形态和相互 作用成功,最终成功诱导毛囊干细胞分化为表皮细胞 。此 外,整合素连接激酶、Pygo2 等众多分子物质对皮肤损伤后 毛囊干细胞修复作用的激活也起着重要的调节作用 。

理想的组织工程皮肤应具备可快速持久黏附、组织相容 性好、感染率低、不易再次损伤、可促进皮下组织快速增生等 功能,并且移植后可恢复或改善部分皮肤功能。目前董 志勇等已通过诱导人毛囊干细胞分化形成了表皮角质形 成细胞,构建出具有多层细胞结构且功能较为良好的工程表 皮。尽管构建出的工程表皮只有数层细胞构成 , 尚未达到 完整的表皮结构,但毛囊干细胞在皮肤重建、受损皮肤修复 以及在组织工程皮肤构建中的作用已不容置疑的。在实际 临床实验中已成功将毛囊外根鞘细胞应用于下肢溃疡的治 疗,有力证实了毛囊干细胞可促进表皮重建的能力及其临床 实际效用 。











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