表皮干細(xì)胞研究進(jìn)展

李彬彬 孫培鳴 孫宏偉 崔 彥

皮膚是人體最大的器官，主要功能為阻止外界有害物質(zhì)的入侵，同時(shí)具有調(diào)節(jié)機(jī)體溫度、感覺、保濕等作用。在皮膚表皮中存在多種干細(xì)胞，其中表皮干細(xì)胞(epidermal stem cells，EpSCs)在表皮形成、表皮組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和皮膚創(chuàng)傷愈合及各種皮膚疾病發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。EpSCs是表皮多種細(xì)胞的來源，位于表皮的基底、毛囊和皮脂腺等特定位置，可分化為皮膚表層各層組織，使表皮始終處于連續(xù)的增殖、分化、凋亡的狀態(tài)。若表皮干細(xì)胞增殖與凋亡的平衡遭到破壞，則可導(dǎo)致多種皮膚疾病包括腫瘤的發(fā)生[1，2]。因此，EpSCs的基礎(chǔ)研究對(duì)于闡述各種皮膚疾病的病理機(jī)制乃至臨床診療都具有重要意義。本文就EpSCs的特性、信號(hào)調(diào)節(jié)、在創(chuàng)傷愈合過程和抗衰老中的作用以及與皮膚癌的關(guān)系做一綜述。

一、表皮干細(xì)胞的特性

EpSCs是多種表皮細(xì)胞的祖細(xì)胞，擁有自我更新能力和分化潛能，一旦遇到各種刺激因素，可增殖分化形成具有不同功能的細(xì)胞。EpSCs來源于胚胎的神經(jīng)外胚層，具有雙向分化能力，一方面可向上遷移，EpSCs從壁龕中移出，到達(dá)最外層，形成棘細(xì)胞的中間產(chǎn)物，最后到達(dá)表皮的最外層，分化成為各種表皮細(xì)胞，取代脫落的表皮和毛發(fā)；另一方面可向下遷移，分化形成表皮的基層，從而產(chǎn)生毛囊[3]。另外，EpSCs可通過不對(duì)稱的方式產(chǎn)生兩種子代細(xì)胞，其一仍然維持EpSCs的特性，另一種類型的子細(xì)胞則在沒有細(xì)胞分裂的情況下進(jìn)行分化，這兩種子代細(xì)胞在維持表皮穩(wěn)態(tài)方面均發(fā)揮重要作用[4]。

EpSCs在體內(nèi)的自我更新能力相當(dāng)強(qiáng)大，在體外培養(yǎng)亦具有140多次傳代的潛能。根據(jù)EpSCs增殖潛能而將其分為3種克隆形態(tài)：①具有高度增殖能力的全克隆；②增殖能力相對(duì)弱的部分克??；③終末分化的類克隆。這3種類型EpSCs的增殖潛能依次降低，而分化程度則依次增加。全克隆EpSCs主要由干細(xì)胞組成，形態(tài)尚未成熟，增殖潛力最大，可高度表達(dá)β1、β6整合素、K19、K15、CD71等，這些分子可作為顯示干細(xì)胞特性包括靜止和增殖能力的標(biāo)志[2]。

EpSCs包含幾種不同的細(xì)胞類型，包括濾泡間表皮干細(xì)胞、毛囊干細(xì)胞和皮脂腺干細(xì)胞等。濾泡間表皮干細(xì)胞均勻分布于基層，形成功能獨(dú)立的隔室，即表皮增生單位(epidermal proliferative unit，EPU)，而每個(gè)EPU的結(jié)構(gòu)由一個(gè)被短暫擴(kuò)增細(xì)胞包圍的中央干細(xì)胞組成[1～3]。XVⅡ型膠原(COL17)是位于表皮基膜帶的跨膜蛋白，具有調(diào)節(jié)濾泡間表皮細(xì)胞的增殖的作用，與皮膚屏障功能、增生、肥厚、衰老等密切相關(guān)；濾泡間表皮干細(xì)胞的生物學(xué)標(biāo)志物尚未明確，需要進(jìn)一步研究[5]。在組織穩(wěn)態(tài)的過程中，毛囊干細(xì)胞具有獨(dú)特的生物學(xué)功能，雖然不參與表皮細(xì)胞的形成，但在特殊情況下，它可以表現(xiàn)出多能干細(xì)胞的特性，并且參與傷口的再上皮化。每個(gè)毛囊都經(jīng)歷3個(gè)連續(xù)的周期性變化階段，即生長(zhǎng)階段(生長(zhǎng)期)、過渡階段(生長(zhǎng)中期)和休眠期(生長(zhǎng)末期)，而位于毛囊凸起處的干細(xì)胞具有自我更新的能力。毛囊干細(xì)胞有許多種標(biāo)志物，包括陽性標(biāo)志物CK15、CK19、p63和CD200等，以及陰性標(biāo)志物CD34和聯(lián)接蛋白4(connexin 4)等，這些標(biāo)志物有助于鑒別毛囊干細(xì)胞[1,6]。

在皮膚創(chuàng)面愈合過程中，EpSCs不僅具有慢周期性、自我更新能力，還具有對(duì)基膜的黏附特性。EpSCs對(duì)基膜的黏附特性是干細(xì)胞維持其特性的基本條件之一，并且干細(xì)胞脫離基膜的黏附是誘導(dǎo)其進(jìn)入分化周期的重要調(diào)控機(jī)制。有研究EpSCs對(duì)Ⅳ膠原黏附特性的影響，取貼壁后10、20、30、60min的EpSCs培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)EpSCs的貼壁數(shù)量隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增多，βl整合素陽性率的表達(dá)量可達(dá)100%，說明Ⅳ型膠原有利于干細(xì)胞的貼附及生長(zhǎng)[7]。

隨著對(duì)EpSCs自我更新和分化潛能的深入研究以及EpSCs技術(shù)的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，將會(huì)進(jìn)一步提升對(duì)EpSCs特性的全面認(rèn)識(shí)。

二、表皮干細(xì)胞的信號(hào)調(diào)節(jié)

研究證實(shí)，一些信號(hào)通路在維持表皮干細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)、增殖和分化過程中發(fā)揮重要作用。Wnt/β-catenin信號(hào)通路對(duì)EpSCs發(fā)育、毛囊形態(tài)形成和組織穩(wěn)態(tài)過程發(fā)揮調(diào)控作用[8]。楊榮華等[9]觀察Notch信號(hào)通路對(duì)EpSCs增殖和分化的影響，結(jié)果表明，激活Notch信號(hào)通路能促進(jìn)EpSC增殖并維持低分化狀態(tài)，而抑制Notch信號(hào)通路則能促進(jìn)表皮干細(xì)胞向表皮細(xì)胞分化。李冰等[10]研究發(fā)現(xiàn)，激活的細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，作用于多種轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)而參與某些基因的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)，影響細(xì)胞的增值與分化，說明ERK通路在EpSCs的增殖與分化中發(fā)揮重要的作用，這為EpSCs的靶向誘導(dǎo)提供了一定的理論基礎(chǔ)。

長(zhǎng)期暴露于紫外線會(huì)對(duì)皮膚造成損傷。研究證實(shí)，眾多信號(hào)調(diào)節(jié)介導(dǎo)了紫外線對(duì)皮膚的損傷效應(yīng)。Netrin-1蛋白作為netrins家族成員，在紫外線B(ultraviolet-B，UV-B)輻射下，具有調(diào)節(jié)EpSCs功能的作用，能減輕UV-B輻射誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激過程，還可通過增加線粒體膜電位水平和三磷酸腺苷(ATP)的生成，進(jìn)一步調(diào)節(jié)UV-B輻射誘導(dǎo)的線粒體功能障礙和乳酸脫氫酶釋放，從而改善細(xì)胞的功能，這些變化與Wnt/β-catenin信號(hào)通路有關(guān)[11]。Wang等[12]研究發(fā)現(xiàn)，S14G-humanin(HNG)作為線粒體衍生肽家族中重要成員，具有抑制UV-B輻射誘導(dǎo)的活性氧生成、增強(qiáng)氧化谷胱甘肽表達(dá)的作用；通過增加HNG可減弱UV-B輻射誘導(dǎo)的線粒體膜電位，表明HNG能夠改善Wnt/β-catenin相關(guān)通路蛋白表達(dá)。Chang等[13]研究TGR5(takeda G-protein-coupled receptor-5)對(duì)EpSCs紫外線B輻射的保護(hù)作用，發(fā)現(xiàn)UV-B輻射后TGR5表達(dá)下降，加入其激動(dòng)劑3-(2-氯苯基)- N-(4-氯苯基)-N,5-二甲基異惡唑-4-羧酰胺(GPBARA)后，通過降低4-羥基-2-壬烯醛(4-hydroxy-2-nonenal)和增加谷胱甘肽水平從而抑制UV-B輻射誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)；GPBARA還可以通過提高線粒體膜電位，改善UV-B輻射誘導(dǎo)的線粒體功能障礙；使用GPBARA提前處理細(xì)胞，能夠抑制UV-B輻射誘導(dǎo)的細(xì)胞活力、LDH釋放和高遷移率組box 1分泌，GPBARA預(yù)處理還能減輕紫外線輻射誘導(dǎo)的整合素β1和Krt 19下降水平。

研究表明，轉(zhuǎn)錄因子包括p16INK4a、Myc和p63等與染色質(zhì)重構(gòu)因子相互作用對(duì)表皮干細(xì)胞的分化和增殖具有一定的調(diào)節(jié)作用。p16INK4a作為一種周期調(diào)控蛋白，能抑制細(xì)胞周期G1/S轉(zhuǎn)換，在調(diào)節(jié)EpSCs自我更新過程中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，該調(diào)控功能失調(diào)可能與皮膚衰老或腫瘤發(fā)生有關(guān)。組蛋白修飾已成為表皮分化的表觀遺傳調(diào)控因子，Myc可通過誘導(dǎo)與修飾活化染色質(zhì)狀態(tài)相關(guān)的組蛋白來調(diào)控從靜止干細(xì)胞到TA細(xì)胞的轉(zhuǎn)變。Myc活化不僅能促進(jìn)EpSCs的增殖，還能促進(jìn)濾泡間上皮細(xì)胞和皮脂腺細(xì)胞的分化[9,14]。除轉(zhuǎn)錄因子外，miRNA和lncRNA在表皮干細(xì)胞的增殖和分化中也發(fā)揮一定的調(diào)節(jié)作用。另有一些分子如GATA3、SSEA-4、CLC和RUNX1等亦與EpSCs增殖、分化調(diào)控有關(guān)[14,15]。

EpSCs的信號(hào)調(diào)節(jié)，既是EpSCs發(fā)揮各種潛能的內(nèi)在機(jī)制，也是全面認(rèn)識(shí)EpSCs特性和發(fā)掘EpSCs轉(zhuǎn)化應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有待于深入探討。

三、表皮干細(xì)胞在創(chuàng)面愈合過程中的作用

皮膚及其附屬器官為機(jī)體適應(yīng)生存環(huán)境提供了許多關(guān)鍵功能。皮膚由中胚層起源的下層真皮和外胚層起源的上層表皮組成，其中表皮是一種分層的上皮細(xì)胞，由增殖細(xì)胞的內(nèi)基層和分化后的基層組成，一些基底細(xì)胞通過不對(duì)稱分裂，從細(xì)胞周期中退出并從基膜中脫離，進(jìn)入細(xì)胞的終末分化階段[1,16]。

皮膚損傷修復(fù)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，可分為3個(gè)階段，即炎癥、組織形成及組織重構(gòu)。該過程在損傷后即啟動(dòng)，涉及多種細(xì)胞和多種因子以及細(xì)胞基質(zhì)的相互作用。另外，皮膚的更新包括皮膚的補(bǔ)充、角化和老化皮膚的脫落、毛發(fā)的生成和損傷后的組織修復(fù)等過程[3,17]。

EpSCs在皮膚創(chuàng)傷愈合過程中具有獨(dú)特作用，通過免疫調(diào)節(jié)、表皮再生、血管再生和膠原沉積等作用于傷口愈合全過程。促進(jìn)創(chuàng)面愈合的干細(xì)胞可作為細(xì)胞來源，這些細(xì)胞不僅可以再生丟失的組織，還可以通過旁分泌的方式促進(jìn)傷口愈合[3,17]。

毛囊干細(xì)胞位于隆突部，是神經(jīng)末梢和毛細(xì)血管匯集的地方，這為其維持自身穩(wěn)定提供了良好的微環(huán)境，并接受信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控自身的增殖與分化。皮脂腺干細(xì)胞分化產(chǎn)生皮脂腺細(xì)胞，濾泡間表皮干細(xì)胞形成表皮最外的屏障層。這些細(xì)胞在皮膚損傷修復(fù)方面起著重要作用，包括炎性反應(yīng)、新生血管化、組織重塑、再上皮化等。毛囊干細(xì)胞群和濾泡間表皮干細(xì)胞群可以產(chǎn)生角化細(xì)胞，進(jìn)而演化為創(chuàng)面再上皮化的細(xì)胞[7]。

EpSCs分泌的細(xì)胞因子具有特殊的生物活性特征，可促進(jìn)細(xì)胞分化增殖，誘導(dǎo)趨化炎性細(xì)胞，并調(diào)節(jié)細(xì)胞的分裂、遷移，進(jìn)而影響創(chuàng)面愈合。這類細(xì)胞因子在一定程度上能抑制成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)，使膠原纖維合成減少?gòu)亩_(dá)到減少瘢痕形成的作用；另一方面，若傷口愈合過程受到不良因素影響則會(huì)導(dǎo)致肉芽組織過度生成，最終導(dǎo)致增生性瘢痕的形成[3,16]。微囊蛋白1(caveolin-1)是胞膜上的一種整合膜蛋白，在保持caveolae的完整性、小胞運(yùn)輸以及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起到重要作用。Yang等[18]研究caveolin-1在大鼠燒傷創(chuàng)面愈合過程中對(duì)表皮干細(xì)胞的作用，發(fā)現(xiàn)過表達(dá)caveolin-1的EpSCs能明顯促進(jìn)傷口的再上皮化，增強(qiáng)細(xì)胞構(gòu)成，促進(jìn)脈管系統(tǒng)形成，并增加傷口評(píng)分；同時(shí)探討姜黃素對(duì)EpSCs調(diào)控創(chuàng)面愈合的作用及分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)姜黃素不僅能促進(jìn)EpSCs增殖、脈管系統(tǒng)形成，還能提升caveolin-1表達(dá)[19]。聶剛等[20]探討高濃度葡萄糖對(duì)小鼠EpSCs增殖的影響，研究結(jié)果表明，高濃度葡萄糖可明顯抑制小鼠EpSCs的增殖，進(jìn)一步闡明了糖尿病創(chuàng)面難愈的干細(xì)胞相關(guān)機(jī)制。Tang等[21]研究發(fā)現(xiàn)，急性缺氧可誘導(dǎo)EpSCs從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)，并明顯增強(qiáng)細(xì)胞活力和運(yùn)動(dòng)性，促使EpSCs增殖高峰提前出現(xiàn)；外源性羥化酶抑制劑FG-4592能穩(wěn)定缺氧誘導(dǎo)因子1，提升EpSCs增殖水平及活性，加速傷口愈合，為皮膚創(chuàng)面愈合的靶向治療提供了新的理論基礎(chǔ)。

隨著創(chuàng)傷研究和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的發(fā)展，EpSCs在創(chuàng)面愈合過程中的作用機(jī)制研究及轉(zhuǎn)化應(yīng)用將會(huì)迅速延伸并發(fā)揮越來越重要的作用。

四、表皮干細(xì)胞與皮膚癌的關(guān)系

EpSCs的增殖和分化受多種因素的調(diào)節(jié)，其中組蛋白修飾、DNA修飾和非編碼RNA在內(nèi)的動(dòng)態(tài)表觀遺傳網(wǎng)絡(luò)在調(diào)控EpSCs的穩(wěn)態(tài)性和可塑性方面起著重要作用。特殊環(huán)節(jié)發(fā)生變化，將會(huì)導(dǎo)致皮膚疾病甚至皮膚癌的發(fā)生。有研究表明，表皮生長(zhǎng)因子受體的結(jié)構(gòu)性激活與表皮乳頭狀瘤及鱗狀細(xì)胞癌的發(fā)生、發(fā)展有關(guān)。Chen等[22]研究抑癌基因Pten在EpSCs中的作用，發(fā)現(xiàn)Pten基因發(fā)生缺失則會(huì)導(dǎo)致Akt/β-catenin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路異常，與皮膚鱗狀細(xì)胞癌發(fā)生有關(guān)。基底細(xì)胞癌可以由多種干細(xì)胞群產(chǎn)生，包括隆凸的干細(xì)胞和濾泡間干細(xì)胞，其間演化與致癌信號(hào)和Hh/Gli驅(qū)動(dòng)的皮膚腫瘤表型有關(guān)。組織干細(xì)胞進(jìn)行再生和創(chuàng)面愈合修復(fù)的細(xì)胞程序，會(huì)被腫瘤細(xì)胞“劫持”。當(dāng)應(yīng)激反應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子水平升高，干細(xì)胞譜系穩(wěn)定性遭到破壞，癌基因被激活，就會(huì)誘發(fā)腫瘤生成[23]。一系列研究表明，在眾多不良因素的影響下，EpSCs可演變?yōu)槠つw癌。盡管機(jī)制復(fù)雜而需深入研究，但避免內(nèi)外環(huán)境因素對(duì)EpSCs的不良影響是維護(hù)干細(xì)胞健康分化和預(yù)防皮膚癌的關(guān)鍵。

五、表皮干細(xì)胞與抗衰老和美容

衰老是一種與基因相關(guān)的受內(nèi)外因綜合性因素影響的疾病。在人的生命周期中，細(xì)胞逐漸衰老，直至死亡又被新的細(xì)胞取代，在這種更替過程中，干細(xì)胞在維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)、保證組織器官的修復(fù)和再生中發(fā)揮著舉足輕重的作用。衰老與干細(xì)胞的數(shù)量下降導(dǎo)致修復(fù)功能衰退有關(guān)。衰老不可避免，但可以不同程度的延緩。干細(xì)胞對(duì)顏面美容和皮膚防老化過程的作用[24]。徐永飛等[25]研究發(fā)現(xiàn)，成熟期增生性瘢痕組織中存在EpSCs，與正常皮膚來源EpSCs具有相近的生物學(xué)特性，為整形外科中成熟期增生性瘢痕組織表皮的再利用提供了理論基礎(chǔ)。You等[26]研究中藥穿心蓮(A. paniculata, Chuanxinlian)對(duì)皮膚的影響作用，通過體外、離體和在體實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在穿心蓮提取物作用下，EpSCs增殖顯著增加，EpSCs的G2/M和S期呈劑量依賴性上升，EpSCs以及皮膚外植體中干細(xì)胞標(biāo)志物整合素β1(CD29)表達(dá)上調(diào)，EpSCs生成VEGF顯著增加，EpSCs調(diào)控提升成纖維細(xì)胞的Ⅰ型膠原蛋白生成，皮膚保濕、真皮致密度、皺紋形成、松弛下垂等均得以明顯改善。同時(shí)，將含有穿心蓮的配方劑應(yīng)用于臨床，進(jìn)一步明確了穿心蓮提取物通過影響EpSCs而具有的抗衰老作用，并認(rèn)為穿心蓮可作為一種潛在的抗衰老劑。目前，EpSCs在美容和抗衰老方面的研究方興未艾，涉及物理、化學(xué)、藥物、植物等的綜合研究必將迅速推動(dòng)干細(xì)胞技術(shù)和產(chǎn)品在該領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

六、展 望

干細(xì)胞治療人類疾病的地位和價(jià)值已經(jīng)初步顯現(xiàn)，尤其在部分慢性疾病、創(chuàng)傷修復(fù)的再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，顯示出了明確的療效。隨著相關(guān)研究和產(chǎn)業(yè)化政策的順應(yīng)調(diào)整，干細(xì)胞的研究和臨床應(yīng)用將進(jìn)入有序、規(guī)范化發(fā)展階段。EpSCs在表皮的形成、分化以及皮膚創(chuàng)傷愈合過程中發(fā)揮重要作用，同時(shí)與皮膚疾病包括皮膚癌的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)，相關(guān)科學(xué)問題正逐步闡明。伴隨著基礎(chǔ)科學(xué)對(duì)EpSCs生物學(xué)特性、特殊功能和調(diào)控機(jī)制的深入研究，EpSCs在再生醫(yī)學(xué)、組織工程、基因及靶向治療、自體成體干細(xì)胞基礎(chǔ)治療、抗衰老和美容以及航天醫(yī)學(xué)等特殊領(lǐng)域中將展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。