表皮干細(xì)胞的生物學(xué)特性及其潛在應(yīng)用

劉雪婷 白春雨 關(guān)偉軍 馬月輝

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京 100193；2.東北林業(yè)大學(xué)野生動(dòng)物資源學(xué)院，哈爾濱 150040）

表皮干細(xì)胞的生物學(xué)特性及其潛在應(yīng)用

劉雪婷 白春雨 關(guān)偉軍 馬月輝

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京 100193；2.東北林業(yè)大學(xué)野生動(dòng)物資源學(xué)院，哈爾濱 150040）

表皮是維持生命及保障各個(gè)組織器官發(fā)揮功能的重要屏障，而表皮干細(xì)胞能夠分化為皮膚各層組織，從而使表皮始終處于持續(xù)不斷的增殖、分化、凋亡的狀態(tài)，在維持表皮平衡，表皮損傷后修復(fù)的過程中發(fā)揮重要的作用。隨著細(xì)胞生物學(xué)的飛速的發(fā)展，人們?cè)桨l(fā)認(rèn)識(shí)到表皮干細(xì)胞的重要性，使其成為人們目前的研究熱點(diǎn)之一。針對(duì)表皮干細(xì)胞研究進(jìn)展，著重?cái)⑹隽吮砥じ杉?xì)胞的分類、定位、特征、功能以及應(yīng)用前景，旨為相關(guān)研究者對(duì)表皮干細(xì)胞生物學(xué)特性及應(yīng)用有更全面的認(rèn)識(shí)。

表皮干細(xì)胞；分類；定位；特征；功能；應(yīng)用前景

表皮是維持生命及保障各個(gè)組織器官發(fā)揮功能的重要屏障。表皮細(xì)胞和其他細(xì)胞一樣，在整個(gè)生命過程中也會(huì)經(jīng)歷細(xì)胞的增殖、衰老、凋亡等過程［1］。所以表皮細(xì)胞需要不斷增殖和分化，以此平衡表皮細(xì)胞的數(shù)量和功能。在此過程中，表皮干細(xì)胞（Epidermal stem cells，ESCs）發(fā)揮著重要的作用，由此逐漸被人們所關(guān)注，成為研究的熱點(diǎn)。ESCs不僅能維持上皮的平衡和再生，同時(shí)對(duì)損傷上皮的修復(fù)也有巨大的貢獻(xiàn)［2］。本文針對(duì)表皮干細(xì)胞研究進(jìn)展，著重?cái)⑹隽吮砥じ杉?xì)胞的分類、定位、特征、功能以及應(yīng)用前景，旨為相關(guān)研究者對(duì)表皮干細(xì)胞生物學(xué)特性及應(yīng)用有更全面的認(rèn)識(shí)。

1 表皮干細(xì)胞的分類及定位

在正常表皮組織中，表皮干細(xì)胞分布于特定位置。如表皮的基底、毛囊、毛囊間、皮脂腺［3］，這些干細(xì)胞主要發(fā)揮維持組織穩(wěn)定和修復(fù)皮膚創(chuàng)傷等作用。因此，有人把表皮干細(xì)胞分為基底干細(xì)胞、毛囊干細(xì)胞、毛囊間干細(xì)胞及皮脂腺前體細(xì)胞［4］。在動(dòng)物模型中，人們發(fā)現(xiàn)成長中老鼠的上皮處于不斷更新的狀態(tài)，尤其是其毛囊細(xì)胞，處于一個(gè)生長、衰老、靜息的狀態(tài)。這種不斷的變化使人們對(duì)上皮干細(xì)胞定位的研究變得更加復(fù)雜［5］。目前，人們對(duì)毛囊間干細(xì)胞和毛囊內(nèi)干細(xì)胞研究的相對(duì)較廣。

1.1 毛囊間干細(xì)胞

我們都知道，上皮細(xì)胞的增殖和自我更新主要發(fā)生于皮膚的基底層。正常情況下，基底層細(xì)胞的增殖分裂是不需要其他附屬物，如毛囊的協(xié)助的，其具有自我增殖能力［6］。整個(gè)生命過程中，都有上皮細(xì)胞的不斷更新，所以人們假設(shè)，在上皮的基底層存在一部分干細(xì)胞。有學(xué)者提出類似的模型，認(rèn)為基底層的干細(xì)胞通過短暫的增殖，增殖后的細(xì)胞具有定向分化成某種終末分化細(xì)胞的能力，這些細(xì)胞通過幾次或者幾十次的增殖分裂，最終形成了表皮中其他類型的組織細(xì)胞［7，8］。根據(jù)這個(gè)模型，每一個(gè)上皮細(xì)胞都可以產(chǎn)生一個(gè)子上皮細(xì)胞，人們把這種干細(xì)胞稱為上皮增殖單位（Epidermal proliferative unit，EPU）。每一個(gè)EPU在都會(huì)有不同的終端分化，皮膚的每一層細(xì)胞均是以一個(gè)EPU為中心，然后向周圍逐漸分化增殖形成的。同時(shí)，在鼠皮膚模型的研究中，通過使用逆轉(zhuǎn)錄病毒感染基底部位的細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)一些表皮細(xì)胞來源于基底膜處［9］。此外，脈沖標(biāo)簽的研究也證明了基底膜處確實(shí)存在表皮干細(xì)胞。

然而，Clayton等［10-12］通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有些細(xì)胞并不是完全遵循EPU模型。其發(fā)現(xiàn)基底部的一些細(xì)胞，有些并沒有分化增殖而只是數(shù)目上的不斷增加，于是其用數(shù)學(xué)分析的方法，提出了定向祖細(xì)胞（Committed progenitor，CP）模型。有些上皮干細(xì)胞能夠定向分裂出兩種新的基底細(xì)胞，同樣也能隨機(jī)分裂出兩種不同類型的定向基底細(xì)胞。毛囊間干細(xì)胞的分裂模式究竟是CP模型還是EPU 模型，目前還存在爭議。但近期的研究表明，兩種模型可能同時(shí)存在于毛囊干細(xì)胞的增殖過程。此外，體外培養(yǎng)人角質(zhì)細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)β 1-integrin 陽性的細(xì)胞具有很高的增殖潛能，并且這類細(xì)胞主要分布于基底層。因此有學(xué)者認(rèn)為β 1-integrin可以作為毛囊間干細(xì)胞的標(biāo)記物之一。但是，β 1-integrin的表達(dá)水平與表皮干細(xì)胞的直接關(guān)系尚未明確，還需進(jìn)一步驗(yàn)證［13］。

1.2 毛囊干細(xì)胞

目前針對(duì)干細(xì)胞的研究中，面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是能否找到特殊的干細(xì)胞表面分子，從而確定干細(xì)胞的種類和定位。Cotsarelis等［14］首先在毛囊的隆突部發(fā)現(xiàn)了毛囊干細(xì)胞。毛囊是哺乳動(dòng)物重要的皮膚附屬結(jié)構(gòu)，在此之前，人們一直認(rèn)為包囊中所產(chǎn)生的細(xì)胞全部為基質(zhì)細(xì)胞。但是隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)把毛囊中的基質(zhì)細(xì)胞全部殺死后，毛囊還是可以從外根鞘中重新長出。此后，Ito等［15］用遺傳跟蹤的方法發(fā)現(xiàn)毛囊中的一類細(xì)胞不僅能促進(jìn)毛囊增殖-凋亡的循環(huán)過程，而且能夠協(xié)助表皮的生長，幫助損傷再修復(fù)。Quan等［16］把大鼠的毛囊進(jìn)行體外培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，體外培養(yǎng)的克隆中，95%的克隆細(xì)胞來源于隆突。由此，越來越多的人認(rèn)為毛囊中的干細(xì)胞發(fā)揮著重要的作用，所以人們通常把位于隆突部分的干細(xì)胞稱為毛囊干細(xì)胞。并且人們?cè)诿腋杉?xì)胞表面發(fā)現(xiàn)了一些特有的表面分子，如角蛋白15（Krt 15 為大部分隆突干細(xì)胞的表面分子，表達(dá)這類分子的隆突干細(xì)胞具有協(xié)助毛囊和表皮生長的功能）、Lgr5（主要促進(jìn)毛囊的生長）、CD34、Sox9、Lhx2、Tcf3及Nfatc等［17］。

1.3 其他部位的表皮干細(xì)胞

此外，在皮脂腺，汗腺等部位也有表皮干細(xì)胞的存在。利用逆轉(zhuǎn)錄病毒追蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在皮脂腺內(nèi)有些細(xì)胞可以被標(biāo)記。Horsely等［18］的研究表明，在皮脂腺的基底層存在一群BLIMP1陽性表達(dá)的細(xì)胞，并且證明這群BLIP1+細(xì)胞可以分化為皮脂腺中所有類型的細(xì)胞。在近期的研究中，Plikus等［17］在汗腺中也發(fā)現(xiàn)了表皮干細(xì)胞，這些干細(xì)胞能協(xié)助汗腺導(dǎo)管的產(chǎn)生和修復(fù)。

2 表皮干細(xì)胞的特征和功能

表皮干細(xì)胞屬于未分化的干細(xì)胞，具有干細(xì)胞特性。表皮細(xì)胞通常處于靜息的狀態(tài)，表現(xiàn)為細(xì)胞核大，細(xì)胞體積小，細(xì)胞器較少，細(xì)胞內(nèi)RNA含量低，核漿比例大［19］。但是，當(dāng)表皮干細(xì)胞被激活后，不僅能維持表皮數(shù)量上的平衡，還能協(xié)助損傷的修復(fù)。所以，表皮干細(xì)胞還具有比較明顯的兩大特征，即自我更新能力和多向分化潛能，也正是這種特征，決定了表皮干細(xì)胞的功能。

2.1 表皮干細(xì)胞能長期維持表皮細(xì)胞的更新

維持表皮細(xì)胞的自我更新是表皮干細(xì)胞最基本的能力，在哺乳動(dòng)物中表皮細(xì)胞經(jīng)歷著增殖、衰老、死亡的過程。在此過程中，表皮細(xì)胞不斷的更新分化，來維持表皮的平衡。由于表皮干細(xì)胞通常處于靜息狀態(tài)，因此體內(nèi)觀察干細(xì)胞分裂在技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)。其自我更新的證據(jù)主要來源于體外觀察。有實(shí)驗(yàn)通過把表皮細(xì)胞在體外培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，在體外其具有增殖的能力［20］。體內(nèi)研究表明，利用同位素標(biāo)記的胸腺嘧啶與腫瘤促進(jìn)劑TPA結(jié)合，觀察到標(biāo)記的細(xì)胞能在體內(nèi)進(jìn)行有絲分裂，同時(shí)，隨著時(shí)間的延長，基底部的同位素標(biāo)記的含量逐漸減少，這在一定程度上證明了表皮干細(xì)胞在體內(nèi)能夠進(jìn)行自我更新［21］。

2.2 表皮干細(xì)胞能協(xié)助損傷的修復(fù)

隨著生物學(xué)研究的不斷加快，人們對(duì)表皮干細(xì)胞修復(fù)損傷組織的應(yīng)用潛能越來越重視。Argyris［22］首先在老鼠和兔子身上證明了毛囊對(duì)上皮損傷后的修復(fù)有重要的作用。隨后，在Ito等［15］的實(shí)驗(yàn)中提出，有一部分表皮干細(xì)胞的主要作用是在損傷后發(fā)揮作用的，這類干細(xì)胞主要集中在毛囊的隆突部。在損傷的急性期，首先是隆突的表皮干細(xì)胞被募集過來進(jìn)行修復(fù)，并且越來越多的實(shí)驗(yàn)研究都證明了這一點(diǎn)。在損傷的初期，Taylor［23］用雙脈沖標(biāo)記的方法證明，在損傷后隆突部的干細(xì)胞能夠分化成漏斗狀的表皮細(xì)胞，并且這個(gè)實(shí)驗(yàn)隨后也被多個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步重復(fù)和驗(yàn)證。近期，有學(xué)者的研究表明，表達(dá)Krt15的隆突中的表皮干細(xì)胞在損傷的初期是首先被激活的。而損傷的5 d后，隆突干細(xì)胞產(chǎn)生分化的細(xì)胞便會(huì)特異的從毛囊向損傷的中心遷移。損傷20 d后，Krt15陽性干細(xì)胞的分化便會(huì)變得非常稀少，而到了損傷后的第50天，損傷的周圍基本上就觀察不到隆突干細(xì)胞分化成的子細(xì)胞了。然后，在長期的過程中，對(duì)損傷修復(fù)有促進(jìn)作用的主要是一些隆突部位之外的其他干細(xì)胞。Levy等［24］首先證明了此觀點(diǎn)，其把Shh-Cre基因標(biāo)記上標(biāo)簽，然后通過病毒的方法逆轉(zhuǎn)錄到所有的毛囊上皮中。通過這種方法，發(fā)現(xiàn)表達(dá)R26R的細(xì)胞在損傷的修復(fù)中能夠持續(xù)的、長時(shí)間的產(chǎn)生克隆增殖，進(jìn)而修復(fù)損傷組織。以上結(jié)果表明，除了Krt15陽性的表皮干細(xì)胞，其余表皮干細(xì)胞都能在組織損傷的后期修復(fù)中發(fā)揮作用。如近期，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在毛囊的峽部以及毛囊的交界區(qū)，也存在一類表達(dá)Gli1、Lgr6、Lgr1的干細(xì)胞，其也能轉(zhuǎn)化成其他毛囊間干細(xì)胞，協(xié)助表皮損傷的修復(fù)［25］。

3 表皮干細(xì)胞的應(yīng)用

目前人們對(duì)表皮干細(xì)胞的研究取得了很大的突破，表皮干細(xì)胞的應(yīng)用也是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。人們?cè)诹私獗砥じ杉?xì)胞的生物學(xué)特性之外，其在表皮病理性脫落，損傷后人工修復(fù)，表皮移植，腫瘤和炎癥反應(yīng)中都有廣闊的前景［26］。在大面積燒傷，廣泛的瘢痕切除的手術(shù)中，由于損傷過大，靠自身的創(chuàng)面難以實(shí)現(xiàn)皮膚的再生，此時(shí)則需要足夠的皮膚替代物進(jìn)行修復(fù)，由于考慮到免疫排斥等炎癥反應(yīng)，自身表皮干細(xì)胞的培養(yǎng)與移植就顯的非常重要［27］。目前，表皮干細(xì)胞培養(yǎng)后如何使干細(xì)胞定向分化，依舊是學(xué)術(shù)界的一個(gè)難題。同時(shí)，有學(xué)者認(rèn)為皮膚癌的發(fā)生可能會(huì)與表皮干細(xì)胞的某些特性有關(guān)，且認(rèn)為皮膚癌的發(fā)生與表皮干細(xì)胞的異常分化有很大的關(guān)系。

4 總結(jié)

近年來干細(xì)胞生物學(xué)的快速發(fā)展讓我們對(duì)表皮干細(xì)胞的生物學(xué)特性及應(yīng)用有了一個(gè)更全面的認(rèn)識(shí)。雖然表皮干細(xì)胞有很好的應(yīng)用前景，但是在研究的過程中，仍然出現(xiàn)了許多新的問題，如如何更好地區(qū)分毛囊間干細(xì)胞的分群及功能，更好地區(qū)分不同干細(xì)胞的表面特有分子，以及在創(chuàng)傷再修復(fù)的過程中毛囊干細(xì)胞早期招募和修復(fù)的機(jī)制等。這些問題毫無疑問將會(huì)成為表皮干細(xì)胞今后研究的熱點(diǎn)，使表皮干細(xì)胞其更進(jìn)一步的應(yīng)用于臨床。

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（責(zé)任編輯狄艷紅）

The Biological Characteristics and Potential Applications of Epidermal Stem Cells

LIU Xue-ting BAI Chun-yu GUAN Wei-jun MA Yue-hui
（1.Institute of Animal Sciences，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100193；2.College of Wildlife Resources，Northeast Forestry University，Harbin 150040）

The epidermis is a crucial barrier for people to sustain life and maintain our organs in their functions. Epidermal stem cells（ESCs）play an important role in the process of maintaining epidermis balance and repairing the damaged ones， as they can differentiate into the layers of skin tissue， so that the epidermis is always in the state of continuous proliferation， differentiation and apoptosis. With the rapid development of cell biology， people growingly realize the vital role of ESCs. In this paper， research progress of epidermal stem cells， with the emphasis on the classification of epidermal stem cells， orientation， characteristics， functions and application prospect， purport for related researchers of epidermal stem cells biological characteristics and application have more comprehensive understanding.

epidermal stem cells；classification；positioning；feature；function；application prospect

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.01.006

2015-04-26

劉雪婷，女，碩士，研究方向：動(dòng)物細(xì)胞生物學(xué)；E-mail：1066379629@qq.com

關(guān)偉軍，男，博士后，博士生導(dǎo)師，研究方向：動(dòng)物遺傳資源；E-mail：weijunguan301@gmail.com馬月輝，男，博士，研究方向：動(dòng)物遺傳學(xué)；E-mail：yuehui_ma@hotmail.com