來(lái)源：Nature自然科研
研究人員在體外誘導(dǎo)未分化人類(lèi)干細(xì)胞分化成為類(lèi)皮膚樣結(jié)構(gòu)。植入小鼠體內(nèi)后，這些類(lèi)皮膚結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生毛發(fā)——充分突顯了再生療法的臨床潛力。
從成年小鼠皮膚中分離出的干細(xì)胞首次誘導(dǎo)分化形成毛囊時(shí)[1]，原美國(guó)脫口秀節(jié)目《今夜秀》的主持人 Jay Leno曾開(kāi)玩笑說(shuō)，科學(xué)家們“治愈了禿頭…至少在小鼠中”。16年過(guò)去了，節(jié)目的現(xiàn)任主持人或?qū)⒂袡C(jī)會(huì)宣布，科學(xué)家們已經(jīng)“治愈”了人類(lèi)的禿頭——Lee團(tuán)隊(duì)[2]在《自然》期刊上發(fā)表的一項(xiàng)研究利用人類(lèi)干細(xì)胞重建了毛囊。這一結(jié)果意味著在不久的將來(lái)，我們或許可以批量生產(chǎn)毛囊，然后將其移植到頭發(fā)稀疏甚至禿頂個(gè)體的頭皮上。一旦這種方法實(shí)現(xiàn)了臨床轉(zhuǎn)化，對(duì)于皮膚有傷口、疤痕或者罹患遺傳性皮膚疾病的患者來(lái)說(shuō)，將是革命性的新療法。
皮膚組織工程研究開(kāi)始于1975年，當(dāng)時(shí)一項(xiàng)具有里程碑意義的研究表明，人的皮膚表層（表皮）[3]中可分離出角化細(xì)胞，且這種細(xì)胞可通過(guò)培養(yǎng)增殖。大約十年后，從燒傷患者身上分離出的角化細(xì)胞片作為永久性植入物移植回原個(gè)體身上[4]。這一成果為2017年的一項(xiàng)突破性進(jìn)展奠定了基礎(chǔ)，患者是一名男孩，他罹患一種被稱(chēng)為交界性大皰性表皮松解癥（junctional epidermolysis bullosa）的遺傳性皮膚病，換句話(huà)說(shuō)，他的皮膚非常脆弱，醫(yī)生們使用基因工程改造后的矯正細(xì)胞取代了他原來(lái)的表皮[5]。這種基于細(xì)胞的治療方法如想進(jìn)一步發(fā)展，移植的皮膚除了表皮細(xì)胞外，還必須包括正常皮膚中的其他成分，如毛囊、產(chǎn)生色素的黑色素細(xì)胞、汗腺、神經(jīng)、肌肉、脂肪和免疫細(xì)胞等。
Lee及其同事就是從這里入手的。他們利用干細(xì)胞生物學(xué)和毛囊發(fā)育領(lǐng)域的研究成果[6]，生成了近乎完整的皮膚類(lèi)器官——實(shí)驗(yàn)室中培育的模仿發(fā)育皮膚的三維細(xì)胞培養(yǎng)物。類(lèi)器官培養(yǎng)已被用于多種器官，如腸道、肺、腎臟及大腦[7]。器官由多種類(lèi)型的細(xì)胞構(gòu)成，因此類(lèi)器官通常由多能干細(xì)胞組成，多能干細(xì)胞具有分化成所有成熟細(xì)胞類(lèi)型的能力。類(lèi)器官使用的多能干細(xì)胞可以是胚胎干細(xì)胞，亦或是誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。所謂誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，就是將成熟細(xì)胞重新編程，使其恢復(fù)胚胎樣狀態(tài)[8]。
表皮和真皮都是皮膚的主要成分，但它們起源于早期胚胎中的不同細(xì)胞類(lèi)型。Lee的團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了人類(lèi)多能干細(xì)胞培養(yǎng)條件，以產(chǎn)生同時(shí)含有這兩種成分的皮膚類(lèi)器官。研究人員依次向干細(xì)胞中添加不同的生長(zhǎng)因子。他們首先使用BMP4和轉(zhuǎn)錄因子TGF-β抑制劑誘導(dǎo)表皮形成；隨后又使用生長(zhǎng)因子FGF2和BMP抑制劑處理細(xì)胞，誘導(dǎo)顱神經(jīng)嵴細(xì)胞分化，從而形成真皮。
皮膚類(lèi)器官呈球形。70多天之后，類(lèi)器官中開(kāi)始出現(xiàn)毛囊，最終產(chǎn)生毛發(fā)（圖1）。大多數(shù)毛發(fā)都因?yàn)楹谏丶?xì)胞呈現(xiàn)深色，黑色素細(xì)胞也來(lái)源于顱神經(jīng)嵴細(xì)胞。其他與毛囊相關(guān)的組織，例如皮脂腺、神經(jīng)及其受體、肌肉和脂肪等等也逐步發(fā)育形成，從而在培養(yǎng)基中形成非常完整的皮膚[9]。但皮膚類(lèi)器官中缺少免疫細(xì)胞，它們通常分布于毛囊內(nèi)和毛囊周?chē)谄つw中具有多種作用[10]。
![圖1 |體外培育的皮膚組織或成為未來(lái)新的臨床治療方法。Lee 的團(tuán)隊(duì)[2]在體外將人類(lèi)多能干細(xì)胞培養(yǎng)成球形的皮膚樣結(jié)構(gòu)——稱(chēng)為類(lèi)器官。他們首先使用BMP4和轉(zhuǎn)錄因子TGF-β抑制劑誘導(dǎo)表皮形成；隨后又使用生長(zhǎng)因子FGF2和BMP抑制劑處理細(xì)胞，誘導(dǎo)顱神經(jīng)嵴細(xì)胞分化，從而形成真皮（ 脂肪細(xì)胞層也在此階段形成）。經(jīng)過(guò)一段相對(duì)較長(zhǎng)的潛伏期（70余天）后，類(lèi)器官中便形成了相對(duì)完整的皮膚細(xì)胞，其中包括大約50個(gè)毛囊。當(dāng)類(lèi)器官植入皮膚后，毛囊便會(huì)自然生發(fā)。這些類(lèi)器官或可用于治療脫發(fā)和遺傳性皮膚疾病，并促進(jìn)傷口愈合。](https://n.sinaimg.cn/tech/crawl/749/w550h999/20200616/0ea4-iuzasxs7356777.jpg)
圖1 |體外培育的皮膚組織或成為未來(lái)新的臨床治療方法。Lee 的團(tuán)隊(duì)[2]在體外將人類(lèi)多能干細(xì)胞培養(yǎng)成球形的皮膚樣結(jié)構(gòu)——稱(chēng)為類(lèi)器官。他們首先使用BMP4和轉(zhuǎn)錄因子TGF-β抑制劑誘導(dǎo)表皮形成；隨后又使用生長(zhǎng)因子FGF2和BMP抑制劑處理細(xì)胞，誘導(dǎo)顱神經(jīng)嵴細(xì)胞分化，從而形成真皮（ 脂肪細(xì)胞層也在此階段形成）。經(jīng)過(guò)一段相對(duì)較長(zhǎng)的潛伏期（70余天）后，類(lèi)器官中便形成了相對(duì)完整的皮膚細(xì)胞，其中包括大約50個(gè)毛囊。當(dāng)類(lèi)器官植入皮膚后，毛囊便會(huì)自然生發(fā)。這些類(lèi)器官或可用于治療脫發(fā)和遺傳性皮膚疾病，并促進(jìn)傷口愈合。
Lee及其同事發(fā)現(xiàn)他們培育的類(lèi)器官表達(dá)的基因具有下巴、臉頰和耳部皮膚的特征。另外，頭皮上的真皮細(xì)胞也可能來(lái)自神經(jīng)嵴細(xì)胞[11]。這表明該類(lèi)器官可能確實(shí)模仿了頭皮。該研究結(jié)果還突出地表明，通過(guò)改變細(xì)胞培養(yǎng)條件，調(diào)整實(shí)驗(yàn)方法，或能生成具有身體其他部位皮膚特征的類(lèi)器官。
Lee的團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)的類(lèi)器官是分析皮膚發(fā)育中各條生物通路作用的理想工具——小分子抑制劑或抑制性RNA分子可用于阻斷蛋白質(zhì)或生物通路，以探究其對(duì)皮膚生長(zhǎng)的影響。類(lèi)器官還可以與全基因組關(guān)聯(lián)研究或其他遺傳數(shù)據(jù)結(jié)合使用，以分析特定的遺傳突變?nèi)绾胃淖兤つw發(fā)育。類(lèi)器官還可以用于皮膚和毛發(fā)疾病的建模，并對(duì)實(shí)驗(yàn)藥物的毒性及功效進(jìn)行篩選。
除了這些體外用途，研究人員還證明了類(lèi)器官在體內(nèi)具有治療潛力。他們將類(lèi)器官移植到免疫缺陷的小鼠上（以確保移植物不會(huì)被動(dòng)物的免疫系統(tǒng)排斥），發(fā)現(xiàn)剛好有一半以上的類(lèi)器官可以繼續(xù)形毛發(fā)，分布于移植物表面。這表明將皮膚類(lèi)器官移植到傷口內(nèi)或能促進(jìn)愈合，預(yù)防疤痕形成；將它們移植到毛發(fā)稀疏的區(qū)域或能治療禿頂。
然而，在這種治療方法成為現(xiàn)實(shí)之前，還有幾個(gè)問(wèn)題需要解決。例如，毛發(fā)是否能持續(xù)高效地產(chǎn)生？這一研究結(jié)果是否可以復(fù)制？移植后最終需要多少個(gè)細(xì)胞才能形成毛囊？Lee等人已著手回答第一個(gè)問(wèn)題，他們證明另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)室采取相同的條件，同樣培育出了可以產(chǎn)生毛發(fā)的皮膚類(lèi)器官。但不同干細(xì)胞之間的差異以及來(lái)自不同個(gè)體的干細(xì)胞之間的差異，仍然是必須面對(duì)的艱巨挑戰(zhàn)之一。
類(lèi)器官形成毛囊所需時(shí)間較長(zhǎng)，比較真實(shí)地模擬了胎兒皮膚的發(fā)育[12]。在這兩種情況下，在毛囊開(kāi)始生長(zhǎng)前，皮膚都會(huì)經(jīng)歷一個(gè)相對(duì)“靜止”的階段。這是一個(gè)值得研究的有趣領(lǐng)域。類(lèi)器官移植準(zhǔn)備期需要140天，這可能會(huì)阻礙研究成果的臨床應(yīng)用——比如，燒傷患者等不了那么久。未來(lái)的研究需進(jìn)一步探索潛伏期發(fā)生的具體分子事件，通過(guò)改變相關(guān)信號(hào)通路加速該過(guò)程。
本研究采用的方法還有其他幾個(gè)方面需要優(yōu)化，然后才能進(jìn)行臨床轉(zhuǎn)化。本研究中生長(zhǎng)的頭發(fā)面積較小，且較為短小。未來(lái)需要進(jìn)一步優(yōu)化培養(yǎng)條件以培養(yǎng)出大片較長(zhǎng)的頭皮毛發(fā)。同時(shí)還需要對(duì)培養(yǎng)混合物中的部分成分（例如被稱(chēng)為Matrigel的蛋白質(zhì)混合物）進(jìn)行詳盡的表征，以確保它們符合生產(chǎn)規(guī)范。另外，未來(lái)的類(lèi)器官培養(yǎng)可能要盡可能減少多能干細(xì)胞的使用以避免其副作用，譬如促進(jìn)腫瘤形成。一個(gè)頗具吸引力的替代方法是使用成體干細(xì)胞。
盡管存在上面提到的這些問(wèn)題，Lee及其同事的研究仍是朝著“治愈”人類(lèi)禿發(fā)邁出的重要一步，并為其他更具突破性的療法奠定了基礎(chǔ)——至少，值得在一檔深夜節(jié)目中被大聲宣布。這項(xiàng)研究頗具臨床轉(zhuǎn)化前景——我們相信未來(lái)的研究終究會(huì)把這一希望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
