來源：Nature自然科研
研究人員在體外誘導未分化人類干細胞分化成為類皮膚樣結構。植入小鼠體內后，這些類皮膚結構能夠產生毛發(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胞首次誘導分化形成毛囊時[1]，原美國脫口秀節(jié)目《今夜秀》的主持人 Jay Leno曾開玩笑說，科學家們“治愈了禿頭…至少在小鼠中”。16年過去了，節(jié)目的現(xiàn)任主持人或將有機會宣布，科學家們已經(jīng)“治愈”了人類的禿頭——Lee團隊[2]在《自然》期刊上發(fā)表的一項研究利用人類干細胞重建了毛囊。這一結果意味著在不久的將來，我們或許可以批量生產毛囊，然后將其移植到頭發(fā)稀疏甚至禿頂個體的頭皮上。一旦這種方法實現(xiàn)了臨床轉化，對于皮膚有傷口、疤痕或者罹患遺傳性皮膚疾病的患者來說，將是革命性的新療法。
皮膚組織工程研究開始于1975年，當時一項具有里程碑意義的研究表明，人的皮膚表層（表皮）[3]中可分離出角化細胞，且這種細胞可通過培養(yǎng)增殖。大約十年后，從燒傷患者身上分離出的角化細胞片作為永久性植入物移植回原個體身上[4]。這一成果為2017年的一項突破性進展奠定了基礎，患者是一名男孩，他罹患一種被稱為交界性大皰性表皮松解癥（junctional epidermolysis bullosa）的遺傳性皮膚病，換句話說，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胞取代了他原來的表皮[5]。這種基于細胞的治療方法如想進一步發(fā)展，移植的皮膚除了表皮細胞外，還必須包括正常皮膚中的其他成分，如毛囊、產生色素的黑色素細胞、汗腺、神經(jīng)、肌肉、脂肪和免疫細胞等。
Lee及其同事就是從這里入手的。他們利用干細胞生物學和毛囊發(fā)育領域的研究成果[6]，生成了近乎完整的皮膚類器官——實驗室中培育的模仿發(fā)育皮膚的三維細胞培養(yǎng)物。類器官培養(yǎng)已被用于多種器官，如腸道、肺、腎臟及大腦[7]。器官由多種類型的細胞構成，因此類器官通常由多能干細胞組成，多能干細胞具有分化成所有成熟細胞類型的能力。類器官使用的多能干細胞可以是胚胎干細胞，亦或是誘導多能干細胞。所謂誘導多能干細胞，就是將成熟細胞重新編程，使其恢復胚胎樣狀態(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胞類型。Lee的團隊優(yōu)化了人類多能干細胞培養(yǎng)條件，以產生同時含有這兩種成分的皮膚類器官。研究人員依次向干細胞中添加不同的生長因子。他們首先使用BMP4和轉錄因子TGF-β抑制劑誘導表皮形成；隨后又使用生長因子FGF2和BMP抑制劑處理細胞，誘導顱神經(jīng)嵴細胞分化，從而形成真皮。
皮膚類器官呈球形。70多天之后，類器官中開始出現(xiàn)毛囊，最終產生毛發(fā)（圖1）。大多數(shù)毛發(fā)都因為黑色素細胞呈現(xiàn)深色，黑色素細胞也來源于顱神經(jīng)嵴細胞。其他與毛囊相關的組織，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]。但皮膚類器官中缺少免疫細胞，它們通常分布于毛囊內和毛囊周圍，在皮膚中具有多種作用[10]。
![圖1 |體外培育的皮膚組織或成為未來新的臨床治療方法。Lee 的團隊[2]在體外將人類多能干細胞培養(yǎng)成球形的皮膚樣結構——稱為類器官。他們首先使用BMP4和轉錄因子TGF-β抑制劑誘導表皮形成；隨后又使用生長因子FGF2和BMP抑制劑處理細胞，誘導顱神經(jīng)嵴細胞分化，從而形成真皮（ 脂肪細胞層也在此階段形成）。經(jīng)過一段相對較長的潛伏期（70余天）后，類器官中便形成了相對完整的皮膚細胞，其中包括大約50個毛囊。當類器官植入皮膚后，毛囊便會自然生發(fā)。這些類器官或可用于治療脫發(fā)和遺傳性皮膚疾病，并促進傷口愈合。](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新的臨床治療方法。Lee 的團隊[2]在體外將人類多能干細胞培養(yǎng)成球形的皮膚樣結構——稱為類器官。他們首先使用BMP4和轉錄因子TGF-β抑制劑誘導表皮形成；隨后又使用生長因子FGF2和BMP抑制劑處理細胞，誘導顱神經(jīng)嵴細胞分化，從而形成真皮（ 脂肪細胞層也在此階段形成）。經(jīng)過一段相對較長的潛伏期（70余天）后，類器官中便形成了相對完整的皮膚細胞，其中包括大約50個毛囊。當類器官植入皮膚后，毛囊便會自然生發(fā)。這些類器官或可用于治療脫發(fā)和遺傳性皮膚疾病，并促進傷口愈合。
Lee及其同事發(fā)現(xiàn)他們培育的類器官表達的基因具有下巴、臉頰和耳部皮膚的特征。另外，頭皮上的真皮細胞也可能來自神經(jīng)嵴細胞[11]。這表明該類器官可能確實模仿了頭皮。該研究結果還突出地表明，通過改變細胞培養(yǎng)條件，調整實驗方法，或能生成具有身體其他部位皮膚特征的類器官。
Lee的團隊培養(yǎng)的類器官是分析皮膚發(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或生物通路，以探究其對皮膚生長的影響。類器官還可以與全基因組關聯(lián)研究或其他遺傳數(shù)據(jù)結合使用，以分析特定的遺傳突變如何改變皮膚發(fā)育。類器官還可以用于皮膚和毛發(fā)疾病的建模，并對實驗藥物的毒性及功效進行篩選。
除了這些體外用途，研究人員還證明了類器官在體內具有治療潛力。他們將類器官移植到免疫缺陷的小鼠上（以確保移植物不會被動物的免疫系統(tǒng)排斥），發(fā)現(xiàn)剛好有一半以上的類器官可以繼續(xù)形毛發(fā)，分布于移植物表面。這表明將皮膚類器官移植到傷口內或能促進愈合，預防疤痕形成；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)實之前，還有幾個問題需要解決。例如，毛發(fā)是否能持續(xù)高效地產生？這一研究結果是否可以復制？移植后最終需要多少個細胞才能形成毛囊？Lee等人已著手回答第一個問題，他們證明另外一個實驗室采取相同的條件，同樣培育出了可以產生毛發(fā)的皮膚類器官。但不同干細胞之間的差異以及來自不同個體的干細胞之間的差異，仍然是必須面對的艱巨挑戰(zhàn)之一。
類器官形成毛囊所需時間較長，比較真實地模擬了胎兒皮膚的發(fā)育[12]。在這兩種情況下，在毛囊開始生長前，皮膚都會經(jīng)歷一個相對“靜止”的階段。這是一個值得研究的有趣領域。類器官移植準備期需要140天，這可能會阻礙研究成果的臨床應用——比如，燒傷患者等不了那么久。未來的研究需進一步探索潛伏期發(fā)生的具體分子事件，通過改變相關信號通路加速該過程。
本研究采用的方法還有其他幾個方面需要優(yōu)化，然后才能進行臨床轉化。本研究中生長的頭發(fā)面積較小，且較為短小。未來需要進一步優(yōu)化培養(yǎng)條件以培養(yǎng)出大片較長的頭皮毛發(fā)。同時還需要對培養(yǎng)混合物中的部分成分（例如被稱為Matrigel的蛋白質混合物）進行詳盡的表征，以確保它們符合生產規(guī)范。另外，未來的類器官培養(yǎng)可能要盡可能減少多能干細胞的使用以避免其副作用，譬如促進腫瘤形成。一個頗具吸引力的替代方法是使用成體干細胞。
盡管存在上面提到的這些問題，Lee及其同事的研究仍是朝著“治愈”人類禿發(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——至少，值得在一檔深夜節(jié)目中被大聲宣布。這項研究頗具臨床轉化前景——我們相信未來的研究終究會把這一希望變?yōu)楝F(xiàn)實。
