真皮乳頭細(xì)胞促毛發(fā)生長(zhǎng)和黑素生成的分子調(diào)節(jié)機(jī)制研究進(jìn)展

孫 超，雷鐵池

武漢大學(xué)人民醫(yī)院皮膚科，武漢430060

皮膚借助上皮(表皮角質(zhì)形成細(xì)胞)和間質(zhì)(真皮乳頭細(xì)胞)之間存在的復(fù)雜交互的信號(hào)調(diào)節(jié)，完成胚胎期毛囊形態(tài)發(fā)生和出生后周期性毛發(fā)更新[1- 3]。越來(lái)越多的證據(jù)表明真皮乳頭細(xì)胞(dermal papilla cell，DPC)是一群位于毛球底部特化的間充質(zhì)成纖維細(xì)胞，在毛發(fā)周期性更新過(guò)程中提供指令性信號(hào)，啟動(dòng)毛囊再生。本文主要綜述DPC分泌的生長(zhǎng)因子及其特征的分子標(biāo)記并解析DPC促毛發(fā)生長(zhǎng)和黑素生成分子調(diào)節(jié)機(jī)制的最新進(jìn)展。

真皮乳頭細(xì)胞及其促毛發(fā)生長(zhǎng)活性

在立毛肌附著處毛囊的外毛根鞘稍向外膨隆部分(又被稱作隆突區(qū))被認(rèn)為是上皮干細(xì)胞(epithelial stem cell，EpSC)和黑素細(xì)胞干細(xì)胞(melanocyte stem cell，MeSC)的棲息地[1]。在毛球的底部存在一群特化的間充質(zhì)來(lái)源的DPC，一方面通過(guò)旁分泌的方式分泌多種細(xì)胞因子啟動(dòng)毛發(fā)生長(zhǎng)和誘導(dǎo)黑素合成；另一方面DPC借助改變隆突區(qū)干細(xì)胞的微環(huán)境動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)干細(xì)胞的增殖、分化和移行，確保毛囊能生長(zhǎng)出著色均一的毛干[1，4]。在過(guò)去的10年，人們對(duì)DPC及其促毛發(fā)生長(zhǎng)活性認(rèn)識(shí)有了突破性進(jìn)展[5]。在胚胎期毛發(fā)形態(tài)發(fā)生中，最早期的DPC并非源自事先預(yù)編程的特定細(xì)胞，而是來(lái)源于真皮成纖維細(xì)胞。在胚胎第12.5天(E12.5)上皮細(xì)胞增厚形成基板，基板細(xì)胞旁分泌成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子20(fibroblast growth factor 20，F(xiàn)GF20)刺激臨近的成纖維細(xì)胞形成真皮致密細(xì)胞團(tuán)。 這些細(xì)胞團(tuán)又被視作最早期的DPC雛形[6]。Mok等[7]用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)對(duì)分離純化的DPC進(jìn)行擬時(shí)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為DPC的細(xì)胞軌跡中可能存在3個(gè)亞群，即pre-DC、DC1和DC2亞群；同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)與這3個(gè)細(xì)胞亞群相一致存在3個(gè)轉(zhuǎn)錄因子和信號(hào)分子上調(diào)波，早期上調(diào)波有3個(gè)因子(Twist2、Lef1、Smad3)，中期波有5個(gè)因子(Trps1、Tshz1、Foxd1、Prdm1、Sox18)，晚期波有5個(gè)因子(Hey1、Hes5、Glis2、Foxp1、Alx4)，這些轉(zhuǎn)錄因子基因敲除或突變小鼠毛囊真皮乳頭發(fā)育異常，毛發(fā)或胡須稀少甚至缺乏，成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為DPC后便失去了增殖能力。毛囊生長(zhǎng)期DPC細(xì)胞數(shù)幾乎是休止期的兩倍[8]。既然DPC細(xì)胞不能增殖，那么在毛發(fā)生長(zhǎng)周期中又是如何維持DPC細(xì)胞數(shù)目的相對(duì)穩(wěn)定？ Rahmani等[9]通過(guò)構(gòu)建真皮鞘(dermal sheath，DS)細(xì)胞特異性表達(dá)白喉毒素受體的轉(zhuǎn)基因小鼠，選擇性地殺傷DS細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)清除DS細(xì)胞后小鼠毛囊真皮乳頭明顯萎縮，毛發(fā)再生延緩或困難。他們提出DS細(xì)胞內(nèi)存在有一個(gè)細(xì)胞亞群，在每個(gè)毛囊周期都被保留著，且還能自我更新，補(bǔ)充休止期凋亡的DS細(xì)胞和DPC[9]。體內(nèi)毛囊重組試驗(yàn)證實(shí)DPC的誘導(dǎo)毛發(fā)生長(zhǎng)的能力與種屬無(wú)關(guān)。小鼠DPC與人包皮角質(zhì)形成細(xì)胞混合后移植至裸鼠的背部可誘導(dǎo)毛發(fā)再生[10]，培養(yǎng)的人DPC與小鼠表皮角質(zhì)形成細(xì)胞混合也能誘導(dǎo)毛發(fā)再生[11]。因此，使用DPC的特異性分子標(biāo)記，如堿性磷酸酶、多功能蛋白聚糖[4-5，8]、白細(xì)胞分化抗原133[6，12]、絲氨酸蛋白酶[5，13]等分離純化和大規(guī)模體外擴(kuò)增有誘導(dǎo)毛發(fā)生長(zhǎng)能力的DPC[3-5，8，12- 15]，用于移植治療人類脫發(fā)(尤其是瘢痕性禿發(fā))已成為可能。

真皮乳頭細(xì)胞調(diào)節(jié)毛發(fā)生長(zhǎng)

在生長(zhǎng)期，DPC與毛囊隆突區(qū)干細(xì)胞之間相距甚遠(yuǎn)，使DPC衍生的信號(hào)分子幾乎不可能對(duì)隆突區(qū)干細(xì)胞產(chǎn)生作用。然而，休止期的DPC被向上牽拉抵達(dá)至隆突區(qū)干細(xì)胞的下方，DPC釋放大量的可溶性生長(zhǎng)因子或配體，如Wnt、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)、FGF7等[16- 21]，以旁分泌方式誘導(dǎo)EpSC活化、增殖、分化和移行以及維持干細(xì)胞的干性，以自泌方式維持DPC自身的促毛發(fā)生長(zhǎng)活性，促使毛囊休止期向生長(zhǎng)期轉(zhuǎn)換。BMP與Wnt信號(hào)平衡是誘導(dǎo)干細(xì)胞活化與維持其干性的關(guān)鍵。此外，還發(fā)現(xiàn)DPC產(chǎn)生兩種具有拮抗作用的分子noggin(BMP抑制劑)和DKK1(Wnt抑制劑)，參與對(duì)這一信號(hào)平衡的精細(xì)調(diào)節(jié)[5]。近年研究表明，以下機(jī)制也參與對(duì)毛發(fā)生長(zhǎng)的調(diào)節(jié)：(1)增加DPC數(shù)目。Chi等[22]用一種四環(huán)素控制的Tet-Off/On基因表達(dá)系統(tǒng)在DPC特異性表達(dá)白喉毒素基因制備轉(zhuǎn)基因鼠，隨后給小鼠喂食四環(huán)素選擇性定量清除DPC，結(jié)果顯示完全清除DPC的小鼠毛囊完全不能進(jìn)入生長(zhǎng)期；部分清除DPC，小鼠毛發(fā)明顯變細(xì)或稀少，可能毛囊需要一個(gè)最小的DPC細(xì)胞數(shù)閾值以誘導(dǎo)毛囊進(jìn)入生長(zhǎng)期。DPC細(xì)胞數(shù)達(dá)不到這個(gè)最小的閾值，不能進(jìn)入生長(zhǎng)期。(2)DPC接近隆突區(qū)干細(xì)胞庫(kù)。一旦毛囊進(jìn)入退行期，真皮鞘細(xì)胞開始表達(dá)α平滑肌肌動(dòng)蛋白，借助真皮鞘細(xì)胞收縮牽拉DPC向上靠近隆突區(qū)[23]；(3)減少隆突區(qū)淋巴引流。Gur-Cohen等[24]研究顯示生長(zhǎng)期被激活的上皮干細(xì)胞表達(dá)血管生成素樣蛋白4，使包繞隆突區(qū)的毛細(xì)淋巴管瞬時(shí)解離、減少淋巴引流阻止細(xì)胞因子的流失。這些微環(huán)境改變支持和確保DPC分泌的細(xì)胞因子足以誘導(dǎo)毛囊進(jìn)入生長(zhǎng)期，合成新生毛發(fā)。

生長(zhǎng)期毛囊由8層同心圓排列的上皮細(xì)胞組成，自內(nèi)向外依次為毛干(髓質(zhì)、皮質(zhì)、毛小皮)、內(nèi)毛根鞘(鞘小皮、Huxley’s層、Henle’s層)、外毛根鞘(伴隨層和單層柱狀細(xì)胞層)。單一的DPC群如何同時(shí)對(duì)這些具有不同形態(tài)特征的上皮細(xì)胞進(jìn)行調(diào)節(jié)，這一現(xiàn)象令人困惑。Yang等[25]的研究回答了這個(gè)問(wèn)題，他們用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析生長(zhǎng)期DPC，結(jié)果顯示DPC有異質(zhì)性，至少存在4個(gè)細(xì)胞亞群(C1～C4)，他們用免疫熒光和原位雜交技術(shù)對(duì)這4個(gè)細(xì)胞亞群在真皮乳頭內(nèi)的空間分布進(jìn)行定位，結(jié)果顯示在毛球中央的真皮乳頭如同被拉長(zhǎng)的細(xì)胞索鏈，其周圍被來(lái)自隆突區(qū)EpSC的單譜系瞬時(shí)擴(kuò)增細(xì)胞包繞。C1亞群位于真皮乳頭的頂端，通過(guò)與其對(duì)應(yīng)的單譜系瞬時(shí)擴(kuò)增細(xì)胞交互作用誘導(dǎo)生成毛干細(xì)胞；C2和C3亞群居中，誘導(dǎo)內(nèi)毛根鞘細(xì)胞生成；而C4亞群位于真皮乳頭的底部，主要誘導(dǎo)外毛根鞘伴隨層細(xì)胞生成。在不同的DPC亞群，BMP和Wnt信號(hào)分子表達(dá)水平存在差異，C1亞群高表達(dá)磷酸化smad1、堿性磷酸酶、FGF7，而低表達(dá)noggin(一種BMP抑制劑)；C2和C3亞群高表達(dá)axin2、FGF7、dkk2；C4亞群高表達(dá)dkk2和noggin。DPC的異質(zhì)性對(duì)上皮細(xì)胞分化的差異化調(diào)節(jié)提供了基礎(chǔ)。

真皮乳頭細(xì)胞調(diào)節(jié)毛發(fā)著色

很早就觀察到進(jìn)入退行期毛囊，其毛球基質(zhì)中的成熟黑素細(xì)胞發(fā)生凋亡[26]。當(dāng)DPC在休止期末再次接近隆突區(qū)時(shí)，通過(guò)釋放大量的干細(xì)胞因子和內(nèi)皮素3等生長(zhǎng)因子重新誘導(dǎo)MeSC增殖和分化[1，5]。同時(shí)，DPC還高表達(dá)絲氨酸蛋白酶和釋放Agouti 信號(hào)蛋白調(diào)節(jié)黑素細(xì)胞膜表面的MC1R受體活性，導(dǎo)致優(yōu)黑素/褐黑素類型的轉(zhuǎn)換[5]。Zhang等[27]對(duì)體外培養(yǎng)的人毛囊DPC的分泌蛋白組學(xué)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示具有凝集生長(zhǎng)表型的DPC可分泌趨化因子12(CXCL12/SDF1)。同時(shí)，也有人發(fā)現(xiàn)在生長(zhǎng)期未成熟的黑素母細(xì)胞高表達(dá)CXCR4(一種CXCL12的受體)，DPC通過(guò)活化CXCL12/CXCR4軸招募趨化黑素細(xì)胞移行進(jìn)入生長(zhǎng)期的毛球基質(zhì)[28]。此外，MeSC微環(huán)境的變化也參與對(duì)毛發(fā)著色的調(diào)節(jié)。毛囊隆突區(qū)細(xì)胞高表達(dá)TGFβ1維持MeSC處于未分化狀態(tài)。隨著生長(zhǎng)期毛囊向下延伸，MeSC擺脫隆突區(qū)TGF-β1抑制。一旦MeSC未離開隆突區(qū)即發(fā)生過(guò)早的異位分化，有可能造成隆突區(qū)干細(xì)胞庫(kù)的耗竭導(dǎo)致白發(fā)[29]。Zhang等[30]研究顯示持續(xù)的精神緊張與心理應(yīng)激可導(dǎo)致支配隆突區(qū)的交感神經(jīng)過(guò)度活躍，釋放大量去甲腎上腺素，該神經(jīng)遞質(zhì)能快速誘導(dǎo)MeSC增殖，造成干細(xì)胞庫(kù)耗竭誘導(dǎo)白發(fā)，他們還在應(yīng)激小鼠模型背部皮膚觀察到交感神經(jīng)支配越致密的部位，色素脫失毛發(fā)(白毛)數(shù)量也越多，給小鼠腹腔注射胍乙啶(一種降壓藥，能阻止交感神經(jīng)末稍釋放去甲腎上腺素)可阻止應(yīng)激刺激導(dǎo)致的白毛生成。此外，在臨床可觀察到某些患者在接受胸外科手術(shù)后出現(xiàn)半身多毛，推測(cè)可能與手術(shù)損傷導(dǎo)致交感神經(jīng)過(guò)度活躍有關(guān)。局部交感神經(jīng)末梢釋放大量去甲腎上腺素，在加速M(fèi)eSC庫(kù)耗竭的同時(shí)，還刺激了DPC促毛發(fā)生長(zhǎng)活性[31]。

結(jié) 語(yǔ)

盡管在不同的生長(zhǎng)周期毛囊結(jié)構(gòu)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，位于毛球底部的DPC始終與位于隆突區(qū)的干細(xì)胞庫(kù)保持著聯(lián)系。一方面不同DPC亞群通過(guò)分泌特定的生長(zhǎng)因子調(diào)節(jié)上皮細(xì)胞增殖分化，形成多層同心圓排列的毛干和毛鞘；另一方面DPC還通過(guò)調(diào)節(jié)干細(xì)胞的微環(huán)境，譬如真皮乳頭的大小、真皮乳頭與隆突區(qū)的距離以及毛囊隆突區(qū)周圍的淋巴與神經(jīng)支配等協(xié)調(diào)完成對(duì)毛發(fā)生長(zhǎng)周期的調(diào)節(jié)。DPC數(shù)目并非恒定不變，隨著毛囊周期變化也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)與消漲。已有研究表明真皮乳頭附近的真皮鞘內(nèi)存在干細(xì)胞亞群以補(bǔ)充新生的DPC。遺憾的是，DPC在體外傳代培養(yǎng)時(shí)其促毛發(fā)生長(zhǎng)活性會(huì)喪失。雄激素源性脫發(fā)患者的微型化毛囊、真皮乳頭變小甚至萎縮[16]。目前，亟待尋找一種能維持促毛發(fā)生長(zhǎng)活性的DPC培養(yǎng)方法，大規(guī)模獲得DPC用于自體細(xì)胞移植治療禿發(fā)患者[5]。