干細(xì)胞龕位調(diào)控皮膚上皮干細(xì)胞增殖與分化機(jī)制的研究進(jìn)展

隋 冰, 公美華, 楊大平

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綜 述

干細(xì)胞龕位調(diào)控皮膚上皮干細(xì)胞增殖與分化機(jī)制的研究進(jìn)展

隋 冰, 公美華, 楊大平

胚胎干細(xì)胞是產(chǎn)生并分布在人體許多器官的多潛能子代干細(xì)胞，后者即成體干細(xì)胞，是維持組織平衡、細(xì)胞更新和修復(fù)損傷的先決條件。干細(xì)胞的數(shù)量、分裂、增殖、分化等是干細(xì)胞內(nèi)因素和周圍的微環(huán)境提供的胞外因素所共同調(diào)控的，這種干細(xì)胞的微環(huán)境，被稱為干細(xì)胞龕位。龕位不僅是干細(xì)胞生理所在的位置，當(dāng)干細(xì)胞被移出正常的細(xì)胞微環(huán)境時(shí)，干細(xì)胞喪失自我更新的潛力，也是來自微環(huán)境的信號(hào)能夠直接決定干細(xì)胞子代的命運(yùn)。筆者就干細(xì)胞龕位調(diào)控皮膚上皮干細(xì)胞增殖分化及皮膚老化的機(jī)制進(jìn)行綜述。

上皮干細(xì)胞； 間充質(zhì)干細(xì)胞； 短暫擴(kuò)充細(xì)胞； Wnt/β-catenin信號(hào)通路； 龕位

發(fā)育生物學(xué)的一個(gè)普遍原則是，胚胎干細(xì)胞是產(chǎn)生并分布于人體多個(gè)器官的多潛能子代干細(xì)胞，后者即成體干細(xì)胞，是維持組織平衡、修復(fù)損傷和內(nèi)源性細(xì)胞更新的先決條件[1]。對(duì)成體干細(xì)胞最初的研究重點(diǎn)是快速更新的組織，如骨髓和上皮細(xì)胞組織，或富含干細(xì)胞的器官，因?yàn)檫@些干細(xì)胞承擔(dān)未來再生醫(yī)學(xué)的應(yīng)用潛力[2]。

1 上皮干細(xì)胞

上皮干細(xì)胞主要位于表皮增殖單位(epidermal proliferative unit, EPU)、毛囊隆突區(qū)(follicle bulge)及基底細(xì)胞層[3-4]。上皮干細(xì)胞在毛囊再生中起重要作用，然而貼近基底膜的干細(xì)胞涉及濾泡表皮的更新。皮脂腺通過每個(gè)腺體基底的干細(xì)胞維持更新，但是這些干細(xì)胞的龕位仍在很大程度上是未知。皮膚的平衡是由位于內(nèi)層真皮的間充質(zhì)干細(xì)胞和位于最外層表皮的表皮干細(xì)胞共同維持的。皮膚干細(xì)胞的數(shù)量減少和功能受損與皮膚平衡失調(diào)有關(guān)(如皮膚過早老化和皮膚癌)[5]。

上皮干細(xì)胞的表面標(biāo)記物是Integrin β-1(+)、Keratin 19(+)、Keratin 14(-)、Keratin 10(-)。上皮干細(xì)胞一般位于毛囊Bulge區(qū)或基底層，創(chuàng)傷后應(yīng)用合成型人上皮生長因子后，上皮干細(xì)胞遍布棘層、顆粒層、基底層。而未應(yīng)用rhEGF的創(chuàng)面，上皮干細(xì)胞位于基底層[6]。

在自體細(xì)胞治療中的一個(gè)關(guān)鍵的問題是干細(xì)胞的提取時(shí)間。許多公認(rèn)的目標(biāo)疾病隨著年齡增大而發(fā)病，來自動(dòng)物模型的研究表明，干/祖細(xì)胞庫隨著年齡的增長穩(wěn)步下降。一些研究稱嚙齒類動(dòng)物和人類的皮膚來源的前體細(xì)胞(skin-derived precursor, SKP)具有產(chǎn)生神經(jīng)和中胚層細(xì)胞子代的能力。這種容易獲取的多能細(xì)胞群具有應(yīng)用于神經(jīng)退行性疾病的細(xì)胞治療潛力。然而，我們對(duì)人類SKPs的時(shí)空性和細(xì)胞表型仍然缺乏清晰的認(rèn)識(shí)。人類SKPs的分化潛能隨著年齡的增長急劇下降，當(dāng)要從老年人皮膚獲取SKPs時(shí)，細(xì)胞分離、擴(kuò)增、分化都很難。因此，應(yīng)在生命早期獲取和保存SKPs細(xì)胞庫，用于年老后目標(biāo)疾病的治療[7]。

2 短暫擴(kuò)充細(xì)胞

毛囊隆突區(qū)是上皮干細(xì)胞最集中的部位。在毛發(fā)生長周期內(nèi)，隆突區(qū)最近端毛囊從休止期轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌纳L期時(shí)，1個(gè)上皮干細(xì)胞在經(jīng)過有絲分裂后形成1個(gè)上皮干細(xì)胞和1個(gè)短暫擴(kuò)充細(xì)胞(transit-amplifying cell, TA)，兩者都位于基底層。TA的主要功能是增加由1個(gè)干細(xì)胞分裂產(chǎn)生分化細(xì)胞的數(shù)量。如果1個(gè)TA能夠分裂3次，那么每個(gè)干細(xì)胞只需要分裂1次，產(chǎn)生1個(gè)干細(xì)胞和8個(gè)分化細(xì)胞。TA的最終任務(wù)是分化，離開基底膜，不斷向棘層、顆粒層、角質(zhì)層遷移。

老化上皮是TA動(dòng)力學(xué)，而不是干細(xì)胞動(dòng)力學(xué)維持穩(wěn)定的。一直認(rèn)為，緩慢的上皮干細(xì)胞增殖率是老化的表皮愈合速度緩慢的原因。而MC Winter等(2009年)的研究證明了上皮干細(xì)胞動(dòng)力學(xué)是保持穩(wěn)定的。證實(shí)是TA的補(bǔ)償行動(dòng)改變老化的皮膚，是減緩傷口愈合的主要因素。A Charruyer等(2009年)研究表明，將老化的上皮干細(xì)胞放置到新生上皮干細(xì)胞所處的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，老化TA會(huì)改變其動(dòng)力學(xué)特征。上皮干細(xì)胞龕位是干細(xì)胞的成活和維持功能必不可少的因素，如果龕位的成分長期不足，將無法維持組織再生。有研究表明，上皮干細(xì)胞和TA能在短期內(nèi)快速再生上皮組織，真皮細(xì)胞和基底膜特殊的成分。但有關(guān)上皮保持穩(wěn)定是干細(xì)胞固有特性重要，還是龕位的影響更為重要，目前尚未明確。

3 干細(xì)胞龕位

3.1 干細(xì)胞龕位假說 干細(xì)胞龕位假說(stem cell niche hypothesis)起源于對(duì)成體干細(xì)胞，如造血干細(xì)胞的觀察，當(dāng)干細(xì)胞被移出正常的細(xì)胞環(huán)境時(shí)，干細(xì)胞喪失自我更新的潛力，而來自微環(huán)境的信號(hào)能夠直接決定干細(xì)胞子代的命運(yùn)。干細(xì)胞龕位假說指出，特定的干細(xì)胞自我更新信號(hào)來源于龕位。如果干細(xì)胞龕位的空間只能容納1個(gè)子代細(xì)胞，其他的子代不能留在龕位，可能后者會(huì)因?yàn)槿狈ψ晕腋滦盘?hào)而分化為成體細(xì)胞。如果龕位的空間可以容納2個(gè)子代細(xì)胞，或相鄰的龕位是空的，那么這2個(gè)子代細(xì)胞都可以保留干性(R Schofield, 1978年)。其次干細(xì)胞經(jīng)過細(xì)胞分裂后將2個(gè)子代細(xì)胞置于不同的微環(huán)境中，可能是微環(huán)境通過細(xì)胞外信號(hào)作用于子代細(xì)胞，而導(dǎo)致2個(gè)子代細(xì)胞不同的命運(yùn)。干細(xì)胞的數(shù)量、分裂、自我更新、分化等是由干細(xì)胞內(nèi)因素和干細(xì)胞龕位提供的胞外因素所共同調(diào)控的[8]。

3.2 干細(xì)胞龕位的組成 ⑴間質(zhì)支持細(xì)胞，包括細(xì)胞-細(xì)胞間黏附因子，分泌可溶性因子，其位于干細(xì)胞鄰近處。⑵細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，作為干細(xì)胞的鉚釘(anchor)，構(gòu)成一個(gè)機(jī)械式支架單元，用于傳輸干細(xì)胞信號(hào)。⑶攜帶營養(yǎng)物質(zhì)和來自其他器官生態(tài)位系統(tǒng)信號(hào)的血管，也參與循環(huán)內(nèi)干細(xì)胞的招募和干細(xì)胞歸巢。⑷有利于動(dòng)員干細(xì)胞離開其龕位的神經(jīng)輸入和來自不同器官系統(tǒng)的整合信號(hào)。表1為鼠皮膚內(nèi)干細(xì)胞龕位的細(xì)胞及分子成分[9]，這些干細(xì)胞的龕位仍在很大程度上是未知的。

表1 小鼠皮膚內(nèi)干細(xì)胞龕位的細(xì)胞及分子成分

人體大致有1014個(gè)細(xì)胞，一些細(xì)胞是心肌細(xì)胞，一些是肝臟、腎臟、神經(jīng)、肌肉細(xì)胞等。相同的祖細(xì)胞在發(fā)育過程中經(jīng)歷不同的命運(yùn)。這些細(xì)胞所在的微環(huán)境提供的信號(hào)決定這些細(xì)胞的命運(yùn)，指導(dǎo)它們?cè)谙鄳?yīng)的時(shí)間形成不同類型的細(xì)胞。這些信號(hào)通過細(xì)胞-細(xì)胞傳遞，經(jīng)細(xì)胞膜傳導(dǎo)進(jìn)入細(xì)胞核，激活特定的基因。一些基因?qū)τ谶@些信號(hào)起反應(yīng)，一些基因?qū)@些信號(hào)無反應(yīng)。幾種信號(hào)途徑指導(dǎo)胚胎的發(fā)育，其中特別重要的有：Notch、TGF-β、Wnt、Hedgelog，這4種信號(hào)通路或以跨膜受體命名，或以受體分子命名，在多細(xì)胞生物體內(nèi)高度保守。這些通路調(diào)控基因表達(dá)程序，以便具有特定命運(yùn)的細(xì)胞在正確的時(shí)間和正確的地點(diǎn)而產(chǎn)生正確的子代細(xì)胞，后者表現(xiàn)出不同的形態(tài)[9]。

已經(jīng)提出毛囊隆突(follicular bulge)的干細(xì)胞龕位，其中涉及毛囊形成的所有分化細(xì)胞，如外根鞘、內(nèi)根鞘和毛干。毛囊隆突(Bulge)沿著外根鞘定位，與濾泡間表皮相鄰。維持濾泡間表皮的干細(xì)胞位于表皮基底，分裂產(chǎn)生短暫擴(kuò)充細(xì)胞，后者經(jīng)過終期分化，遷移至皮膚表面。濾泡間表皮干細(xì)胞呈斑點(diǎn)狀，由短暫擴(kuò)充細(xì)胞包繞，形成濾泡間表皮干細(xì)胞內(nèi)在聯(lián)系網(wǎng)[9]。

3.3 Wnt/β-catenin在毛囊形成中的作用 Wnt/β-catenin信號(hào)通路控制許多細(xì)胞過程，如細(xì)胞增殖、分化、細(xì)胞命運(yùn)、遷移，且在胚胎發(fā)育過程中起著至關(guān)重要的作用[10]。目前已知19個(gè)小鼠的WNT基因，其結(jié)合Frizzled(Fz)家族受體，其中10個(gè)Fz受體已經(jīng)在小鼠上得以證實(shí)，還有一些結(jié)合低密度脂蛋白相關(guān)的受體。配體和受體結(jié)合激活不同的下游通路，如Wnt/β-catenin，Wnt /planar和Wnt/Ca2+[11]。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)調(diào)節(jié)Wnt信號(hào)的分泌型蛋白，包括DKK家族，secretory frizzled-related proteins (sFRPs)、Wnt抑制因子-1(WIF-1)。經(jīng)典的Wnt信號(hào)由多功能蛋白β-catenin控制。正常情況下，β-catenin與糖原合成酶激酶(glycogen synthase kinase)-3β(GSK-3β)、Axin、腺瘤性息肉病-相關(guān)抑制蛋白(adenomatous polyposis coli)組成的復(fù)合物結(jié)合。胞質(zhì)內(nèi)的β-catenin通過GSK-3β的絲氨酸磷酸化致其泛素化，且通過蛋白酶體的降解，從而保持胞質(zhì)和核內(nèi)低水平的β-catenin。

Wnt/β-catenin信號(hào)對(duì)于不同的組織，產(chǎn)生不同的效果：在造血系統(tǒng)或小腸內(nèi)，Wnt/β-catenin是調(diào)節(jié)干細(xì)胞自我更新和增殖，是重要的調(diào)節(jié)者。然而在皮膚中，Wnt/β-catenin會(huì)促進(jìn)毛囊前體細(xì)胞分化。在哺乳動(dòng)物的腦中，通過Wnt信號(hào)過度表達(dá)β-catenin，會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元干細(xì)胞的數(shù)量擴(kuò)增。在胚胎發(fā)育的過程中構(gòu)建上皮的完整性是一個(gè)復(fù)雜的過程，在生命周期中通過上皮干細(xì)胞維持皮膚完整性。雖然Wnt調(diào)控正常的上皮干細(xì)胞更新，但異常的Wnt信號(hào)會(huì)促發(fā)腫瘤形成。RM Castilho等(2009年)研究表明，上皮干細(xì)胞可能被賦予保護(hù)性機(jī)制，在增殖通路持續(xù)性刺激激活mTOR時(shí)，造成細(xì)胞衰竭，同時(shí)抑制腫瘤形成。

胚胎期單層上皮可以分層形成上皮，也可以發(fā)生Wnt信號(hào)應(yīng)答形成毛囊。出生后，干細(xì)胞繼續(xù)有差異地應(yīng)答Wnt信號(hào)以維持組織長期的動(dòng)態(tài)平衡。Tcf3是毛囊干細(xì)胞的可靠表面標(biāo)記物。胚胎祖細(xì)胞和出生后的毛囊干細(xì)胞都表達(dá)Tcf3和Tcf4，Tcf3和Tcf4是轉(zhuǎn)錄激活子或抑制子。皮膚缺乏Tcf3和Tcf4的后果為：組織學(xué)顯示毛囊開始生成，但在隨后出現(xiàn)毛囊生長缺陷。此外，雖然表皮組成包括棘層、顆粒層、角質(zhì)層等，它通常比正常薄，基底細(xì)胞呈扁平狀，而不是柱狀，與β-catenin不足的結(jié)果部分重疊。這說明TCF有長期維持上皮和毛囊自我更新和創(chuàng)傷修復(fù)方面的作用，也表明TCF蛋白質(zhì)譜系既有Wnt信號(hào)依賴性，也有獨(dú)立于Wnt信號(hào)的途徑[12]。

2008年，Lo Celso等研究表明，β-catenin作為Wnt信號(hào)通路中重要因子，其過度表達(dá)卻能促進(jìn)毛囊數(shù)量增加。毛囊隆突區(qū)干細(xì)胞的缺失是皮膚對(duì)β-catenin缺失的最早反應(yīng)[13]。在新生毛發(fā)過程中，β-catenin在毛囊和表皮基底層之間轉(zhuǎn)導(dǎo)，誘導(dǎo)毛囊干細(xì)胞生成新生毛發(fā)，而抑制皮脂腺分化。

Wnt信號(hào)與大多數(shù)皮膚疾病相關(guān)，如炎癥、腫瘤、創(chuàng)傷修復(fù)、干細(xì)胞生物學(xué)和皮膚老化相關(guān)。但是，目前仍有很多Wnt通路未知的問題，特別是其在人類疾病中的作用。

4 脂肪組織對(duì)皮膚組織再生功能及毛發(fā)周期的影響

Mojallal等[14]研究結(jié)果，注射過脂肪的真皮層厚度增加，膠原纖維增加,并且局部新生血管增加。Covarrubias等[15]研究顯示，自體脂肪顆粒移植后真皮層增厚，可新生膠原蛋白，增加局部血流量。這些實(shí)驗(yàn)推斷出自體脂肪移植到皮膚具有提高皮膚組織再生功能。Festa等[16]研究認(rèn)為，真皮內(nèi)脂肪組織的動(dòng)態(tài)變化與快速的毛囊生長周期變化一致。在毛發(fā)生長中期，激活脂肪系細(xì)胞增殖程序，使得在毛發(fā)生長終止期及毛發(fā)生長初期，脂肪前體細(xì)胞的數(shù)量增加。在以Azip鼠(不含成熟脂肪細(xì)胞，但有脂肪前體細(xì)胞及和野生型大鼠相近的毛囊生長周期)為研究對(duì)象時(shí)，Ebf1大鼠在毛發(fā)生長中期后無脂肪前體細(xì)胞，導(dǎo)致真皮內(nèi)脂肪組織減少，且無干細(xì)胞活動(dòng)。應(yīng)用過氧化物酶體增生物激活受體(為脂肪形成轉(zhuǎn)化因子拮抗劑)，對(duì)大鼠進(jìn)行處理后，在毛發(fā)生長中期阻止了皮下脂肪組織的生長和毛囊生長。

5 間充質(zhì)干細(xì)胞對(duì)再上皮化的影響

傷口再上皮化是一個(gè)由角質(zhì)形成細(xì)胞的遷移、增殖和分化為主導(dǎo)，恢復(fù)完整的表皮屏障功能，以防止感染和過多的水分損失的多因素共同作用的過程。然而，在傷口愈合不良，如慢性難愈性傷口或肥大性瘢痕中，傷口往往無法進(jìn)行再上皮化。因此，必須探索一種合適的方法來緩解異常愈合，促進(jìn)表皮細(xì)胞再生和傷口Ⅰ期愈合。間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells, MSCs)具有自我更新能力以及潛在的多向分化潛能。這些細(xì)胞在許多生物過程，包括抗炎、細(xì)胞遷移、增殖和分化的信號(hào)通路，激活或抑制中起著重要的作用。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BM-MSCs)在促進(jìn)表皮細(xì)胞再生機(jī)制的研究仍然不充分。大量的證據(jù)表明，MSCs通過抑制過度炎癥反應(yīng)，分泌的重要因子，分化成多種類型的皮膚細(xì)胞，并招募其他宿主細(xì)胞，以參與上皮再生。BM-MSCs在上皮化過程中所起的作用是其用于治療燒傷、糖尿病、創(chuàng)傷導(dǎo)致的再上皮化能力降低的創(chuàng)口愈合不良的重要依據(jù)[17]。MSCs與胚胎干細(xì)胞相比，因其不易誘發(fā)免疫反應(yīng)可用于異種移植或同系移植[18]。

雖然已經(jīng)取得了MSCs有助于皮膚創(chuàng)傷愈合的重大進(jìn)展，但是仍有很多問題是未知的。雖然很多研究發(fā)現(xiàn)創(chuàng)口中MSCs呈現(xiàn)出細(xì)胞表型轉(zhuǎn)變，有助于推導(dǎo)出轉(zhuǎn)分化，但是細(xì)胞融合可能是MSCs促進(jìn)創(chuàng)傷愈合的另一個(gè)機(jī)制。缺乏充分的數(shù)據(jù)證明：由MSCs再生出的皮脂腺細(xì)胞、汗腺細(xì)胞具有功能[19]。更多研究應(yīng)該針對(duì)于MSCs來源的細(xì)胞是否擁有這些細(xì)胞原位組織所擁有的功能。因?yàn)榇蟛糠諱SCs是循環(huán)著的，對(duì)于MSCs的遷移和歸巢到特定組織的機(jī)制應(yīng)該同樣重要。

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150086 黑龍江 哈爾濱，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 整形美容科 第一作者：隋 冰(1984-)，男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生. 通信作者：楊大平，150086，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 整形美容科，電子信箱：dapingyang@hotmail.com

10.3969/j.issn.1673-7040.2016.12.018

2016-10-28)