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作者按:本文在科学网博客首发,是基于科技部项目的科普要求,未在中文杂志发表。本文阐述了毛乳头细胞作为特殊的间充质干细胞,在细胞疗法的潜在应用,着重阐述了其治疗脱发的应用以及目前的技术和伦理障碍。更全面的综述见我们近期在《Biology》杂志发表的英文论文:https://www.mdpi.com/2079-7737/13/10/842
毛乳头细胞:一种具有临床应用潜能的特殊间充质细胞
邱爔爔①,张何丽①,②,廖新化①
①上海大学 生命科学学院,上海200444
②上海大学 环境与化学工程学院,上海200444
摘要 真皮毛乳头(Dermal papilla,DP)位于毛囊底部,由一群特化的紧密相连的间充质来源的细胞构成。它在胚胎发育早期通过与上皮前体细胞的相互作用诱导毛囊的形成,在毛囊成熟后继续通过分泌因子调控毛发的生长周期、颜色、粗细及类型等。DP细胞具有一定的干细胞特性,能够表达多种干性因子,并且能在体外扩增。DP细胞是皮肤衍生的前体细胞(Skin-derived precursor,SKPs)的重要来源。DP细胞与上皮干细胞混合可以重建再生出皮肤和毛囊。皮下注射DP细胞以及其衍生的外泌体能促进毛发的生长。因此DP细胞在细胞治疗领域具有潜在的应用价值。本文详细探讨了DP细胞作为细胞治疗产品的科学依据,并重点分析了它成为细胞治疗产品面临的挑战和目前的研究进展。通过这些分析,我们期望可以为推动DP细胞的临床应用提供清晰的思路。
关键词 毛乳头,间充质干细胞,细胞治疗,毛发周期,脱发
Abstract The dermal papilla (DP), situated at the base of the hair follicle, is composed of a group of tightly connected, specialized mesenchymal cells. In early embryonic development, it induces hair follicle formation through interaction with epithelial progenitors and continues to regulate the growth cycle, color, size, and type of hair in mature hair follicles by secreting factors. DP cells possess certain stem cell characteristics and can express a variety of stemness-related factors, and they can be cultured and expanded in vitro. DP cells are an important source of skin-derived precursors (SKPS). When mixed with epithelial stem cells, they can reconstitute skin and hair follicles. Subcutaneous administration of DP cells or their exosomes can promote hair growth. Therefore, DP cells hold the potential as a cell source for cell therapy. This review comprehensively outlines the scientific rationale for DP cells as a cell therapy product and emphasizes the challenges and the current research progress. Through these analyses, we aim to offer a clear path for advancing the clinical application of DP cells.
Keywords Dermal papillae, mesenchymal cells, cell therapy, hair cycle, hair loss
1 毛乳头调控毛囊发育和毛发生长
毛发由皮肤的附属器官毛囊生成。毛囊的最底部存在一个特殊的结构-毛乳头(Dermal papilla,DP),它是在发育过程中由真皮间充质细胞特化形成的,而在毛囊发育成熟后继续释放信号分子控制毛发的生长、形状、大小和颜色等。
毛囊(Hair follicle,HF)的发育起源于胚胎时期。真皮间充质细胞(成纤维细胞)释放Wnt信号传递至上皮,使上皮增厚形成毛基板(Placode);毛基板向下层真皮间充质细胞发出信号,真皮细胞增殖形成细胞聚集物(Dermal condensate, DC);随后毛基板的基底细胞在形成DC的部位内陷、向下延伸并将DC包裹,毛囊成熟后DC最终也形成成熟的DP[1]。
在毛囊发育成熟之后,DP继续向毛囊上皮细胞释放因子,精细调控毛囊细胞的休眠、激活、增殖与分化,进而控制毛发生长。DP细胞不仅分泌WNT、R-SPONDIN、TGF-β、HGF和IGF1等因子激活Wnt通路,促进HFSC的活化和增殖[2],还表达生长因子FGF7和FGF10[3]以增强毛囊上皮细胞中的Shh信号,而Shh信号作用于Wnt下游,刺激毛囊邻近上皮细胞增殖,从而加速毛发生长[4, 5]。除此之外,DP还高表达BMP4、BMP6、BMP7、BMP受体(BMPR1A)和BMP抑制剂NOGGIN等BMP通路相关蛋白[6, 7],它们通过复杂的机制在毛囊从生长期到休止期的转变中发挥作用[8]。
有文献报道,DP细胞数量的减少会使毛囊生长期延迟[9],将DP通过激光手段消融后的毛囊无法再次进入生长期[10]。而在长期压力诱导状态下,来源于肾上腺的皮质酮也会作用于DP细胞,抑制毛囊干细胞的活化,导致脱发[11],还有研究表明,雄激素受体AR在皮肤中特异表达于DP中,提示雄性激素脱发可能与DP的介导有关[12]。此外DP的基因还调控毛发的形状,包括颜色、粗细和卷曲等[1, 13]。
2 DP细胞的干性特征及应用潜能
除了在毛囊发育和毛发生长调控方面的重要功能,DP细胞更加引人注目的是它表现出的干细胞特性,这种独特的性质使它具有开发为细胞产品应用到临床治疗的巨大潜力。
2.1 DP细胞是SKPs的重要来源
SKPs(Skin-derived precursors,皮肤衍生的前体细胞)是皮肤中一类能够自我更新的具有多能神经干细胞特性的前体细胞[14]。Freda D. Miller实验室最初将真皮组织解离成单细胞,并在含有EGF或者FGF的培养基中培养,其中部分细胞能形成漂浮的细胞球(Spheres)并扩增传代[15]。这类细胞具有沿神经元和神经胶质细胞谱系分化的能力,同时还能产生间充质干细胞的标记物,分化成平滑肌细胞、脂肪细胞和其他类型的细胞[15]。此后,同一实验室发现源自成年真皮的SKPs具有类似于胚胎神经嵴干细胞(Neural crest stem cells, NCSCs)的特性,而DP为SKPs提供了微环境(Niche);谱系分析表明,毛发和胡须毛囊DP都含有来源于NCSCs的细胞,而胡须垫的SKPs也来源于NCSCs,提示DP细胞很可能是SKPs的重要来源[16]。进一步的研究表明,内源的SOX2+细胞分布在DP和真皮鞘(Dermal sheath, DS)下部,通过体外培养的SKPs和SOX2+细胞具有相似的表达谱和相似的功能:都能与新生鼠的上皮细胞重建毛囊,分化成真皮细胞,并重新归位到DP和DS;都能为真皮的稳态和伤口愈合提供细胞[17]。以上结果进一步证明DP细胞是SKPs的重要来源。
SKPs移植到正常或损伤的海马中,它们可以存活并保持其神经特性至少5周[18]。SKPs移植到髓鞘发育不良的小鼠大脑后,可产生能使中枢神经系统轴突髓鞘化的血旺细胞[19, 20]。SKPs通过生成血旺细胞也可用于治疗脊髓损伤[20]。也有报道将人源SKPs和猪源SKPs移植到猪无神经节的肠中,SKPs存活并表达神经胶质标志物[21, 22]。Steinbach等用体外收缩试验和体内血管生成试验表明SKPs形成的血管平滑肌细胞具有功能性,这为SKPs应用于新生血管的治疗奠定了基础[23]。SKPs分化为成骨细胞在体内帮助骨骼修复[24]。SKPs除了分化成真皮成纤维细胞外,还能分化为脂肪细胞、肝细胞、角质形成细胞、黑色素细胞等类似的细胞[25, 26]。此外,已经有报道将人源SKPs的角膜内皮细胞样细胞移植到猴角膜内皮功能障碍模型中,发现两年后角膜内皮细胞样细胞仍有良好的功能[27]。虽然DP细胞是否也具有和SKPs一样的分化潜能有待验证,但由于DP细胞是SKPs的重要来源,这些基于SKPs的细胞疗法也提示DP细胞巨大的应用潜力。
值得一提的是,表达Nestin标志蛋白的毛囊可获取的干细胞(Hair follicle-accessible pluripotent stem cells,HAP)[28]很可能就是缠绕在毛囊峡区的终末血旺细胞[29]。通过分离的毛囊在培养基中生长出来的毛囊衍伸的间充质干细胞(Human hair follicle-derived mesenchymal stem cells,HF-MSC)来源于DP和DS细胞[30]。HAP和HF-MSC都表现出了SKPs的特征,尽管发现的方法不同,但是它们很可能是SKPs的来源。
2.2 DP细胞作为iPSCs来源
相比与其它成体细胞,DP细胞表达多种干性因子,更容易诱导成为iPSCs(Induced pluripotent stem cells)。通常将小鼠胚胎或成体成纤维细胞诱导成iPSCs细胞,需要加入OCT4,SOX2,KLF4和C-MYC四种转录因子,以维持细胞的多能性[31],而DP细胞本身表达SOX2,C-MYC和KLF4,只需添加外源转录因子OCT4和KLF4,甚至仅添加OCT4即可诱导为iPSCs细胞[32, 33]。在相同条件下DP细胞重编程为iPSCs细胞的效率是成纤维细胞的3倍左右[34]。
2.3 DP细胞体内诱导毛囊再生与重建毛囊
毛囊的下部被去除之后失去了长毛发的能力,但是新鲜分离的以及在体外培养扩增的DP细胞植入被破坏毛囊基部以后,毛囊重新获得了长毛发的能力[35, 36]。将DP细胞放入大鼠无毛脚垫的上皮和真皮之间,移植后可以诱导无毛的皮肤产生毛发[37]。类似地,将DP细胞放入人包皮的上皮和真皮之间,移植后可以诱导无毛的皮肤产生毛发[38]。通过在大鼠耳朵伤口和背部伤口部位植入DP细胞,发现其能参与伤口修复以及诱导新生毛囊[39, 40]。将DP细胞与上皮干细胞混合移植到裸鼠背部,可以重建皮肤和毛发[7, 41-43]。
2.4 DP细胞及其外泌体促进毛发生长
DP通过分泌多种生物活性分子,如生长因子、细胞因子等促进毛囊干细胞的增殖和分化,从而促进毛发生长。DP细胞注射到小鼠背部皮下,可以加速毛囊从休止期进入生长期,并且延迟退行期的到来[44, 45]。近年来研究发现,体外培养的毛乳头细胞的外泌体中包含类似的生物活性分子;将无细胞的外泌体注射到皮下,也可以激活毛囊改善头皮微环境,促进毛发生长[44-46]。因此,DP细胞及其外泌体提供了一种潜在的脱发治疗策略。
2.5 DP细胞促进创伤愈合
已经有报道间充质干细胞及其外泌体具有促进组织修复和再生的显著潜力[47]。DP细胞作为一种特殊间充质干细胞,在皮肤重建以及创伤愈合时能分化为真皮成纤维细胞;此外,分泌的多种生长因子和细胞因子可以促进血管生成,减少炎症反应,促进伤口修复[17, 39, 48-50]。
3 DP细胞疗法的相关技术进展
3.1 DP细胞的分离
要深入研究DP在毛囊发育、毛发周期调控以及毛发再生等方面的功能,或者将DP细胞应用于疾病治疗,离不开DP细胞的分离与体外培养。传统的分离方法是显微解剖法,在无菌环境下利用体视显微镜和手术器械等工具从触须囊分离得到DP,进而解离成单细胞[51]。然而,DP在整个毛囊结构中所占比例较少,每个毛囊仅存在几十个DP细胞,这种方法存在操作要求高、分离效率低的缺陷。另一种分选方法是酶分离法,使用胶原酶、分散酶等消化毛囊,但酶分离法会破坏特定的细胞外基质微环境,使DP细胞的可诱导性和增殖能力快速降低[52],而且分离DP细胞的数量也不高。此外,有文献报道使用PROMININ-1/CD133标记DP细胞并结合流式术分选DP细胞的抗体分选法[53]。然而,CD133是一种通用的干细胞/祖细胞标志物[54],在DP细胞中特异性不强,并且在外根鞘细胞、毛基质细胞等部位也有表达[55]。有文献报道利用DP中特异性表达的启动子,构建表达荧光蛋白的转基因鼠,使用流式分选术分离纯化DP细胞[6, 7, 56]。但是这种方法依赖于转基因动物的构建,除了小鼠外尚未有其它物种的报道。我们研究组开发出一种具有广谱性、特异性、高效率的DP细胞分选技术[57]。该方法筛选出DP细胞特异性膜蛋白——LEPR,使用LEPR单克隆抗体标记DP细胞,使用流式细胞分选术即可得到大量DP细胞,对分选所得DP细胞进行传代培养,细胞仍具调控毛发周期和诱导毛发再生的能力。
3.2 DP细胞的培养扩增
DP细胞在二维培养过程中会逐渐散失生物活性,尤其是诱导毛囊生成的活性。一般来说,超过第六代的DP细胞生长会开始变得缓慢,并出现明显的形态变化,如不再表现出聚集生长等。在体内条件下,DP细胞在毛囊发育过程中是与上皮细胞密切互动的,成熟的DP细胞与毛囊上皮细胞直接接触甚至是被其包裹其中。皮肤上皮细胞的培养借鉴了体内上皮-间充质细胞互作,利用滋养细胞即胚胎成纤维细胞系获得了体外长久传代扩增的成功[58]。DP细胞与皮肤上皮细胞共培养不仅保持了上皮细胞的干性[59],还极大地延长了DP细胞传代次数,同时保持了DP细胞自身诱导毛囊生成能力,而且皮肤上皮细胞的条件培养基也有类似的作用[60]。在这种条件下,即使经过至少70次传代培养,DP细胞仍能保持毛囊诱导能力[60]。在DP细胞细胞中加入生长因子FGF2,可以让DP细胞的传代次数从5代延长到30代以上[61]。
另外一种成功的尝试是用三维悬浮的培养方式将DP细胞培养成微球体(Sphere),这有助于细胞-细胞接触,提高DP诱导毛囊生成的能力[38, 61, 62]。
此外,人们通过导入SV40T大T抗原和端粒酶TERT基因,让DP细胞获得永生化的能力[63]。这些细胞系保持了DP的表达特征,但是对于是否保持诱导毛囊形成的能力并未提及。
3.3 利用iPSCs诱导形成DP细胞
获得源源不断的DP细胞的另一种途径是通过iPSCs诱导形成。科学家们根据已有的技术先把iPSCs诱导形成神经嵴前体细胞(Neural crest progenitor cells,NCPCs),再将NCPCs在特定的因子以及小分子抑制剂作用下,诱导形成SKPs[64]。在另一项研究中,科学家们将iPSCs分化成具有骨髓基质细胞表型的诱导间充质细胞(Induced mesenchymal cells,iMCs)。随后使用维甲酸和DP细胞活化培养基诱导LNGFR+ THY-1+的iMCs亚群重编程为具有DP特性的细胞。由此诱导形成的DP细胞在体内与角质形成细胞共同移植时,产生了具有类似毛干的毛发角质层的纤维结构[65]。
4 DP细胞疗法治疗脱发的技术与伦理挑战
DP细胞有两种可能的途径用于治疗脱发,一种是通过与上皮干细胞重建毛囊,另一种是通过皮下注射DP细胞或者其衍生的外泌体促进毛发生长。对于前者,在病人的头皮上直接重建含有毛囊的皮肤并不可行,主要原因如下:1)目前在裸鼠上的毛囊重建技术基于创伤过程中皮肤与毛囊的重新形成,重建的皮肤并不能与正常的皮肤一样,而是形成类似于疤痕的皮肤,其功能受损;2)基于干细胞自发组织重建的毛发的密度、大小与生长方向不可控;3)如果要重建黑色的毛发还需在重建体系中加入黑色素干细胞。另一种可能的变通的办法是在免疫缺陷的大动物上重建人的毛囊,再移植到人的头皮上。但是在动物中重建的毛囊中除了人的上皮和真皮细胞外,必然会掺入动物的细胞,比如血管上皮细胞、真皮细胞等,因而重建的毛囊从动物移植到人体后是否会产生免疫反应,是否能存活都是需要进一步探索的。此外,重建含有毛囊的皮肤除了需要大量的自体的DP细胞,还需要毛囊干细胞与黑色素干细胞,而毛囊干细胞在体外的大量增殖扩增且保持干性,目前在技术上还未实现。
对于注射DP细胞或者其外泌体,大量的DP细胞产品的生产是必须的。如果是自体的DP细胞,需要用少量健康毛囊的DP细胞在体外大量传代扩增,同时还保留原代DP细胞诱导毛发生成的特性。尽管文献上报道DP细胞通过二维培养可以传几十代,但是是否还较好保持DP细胞的活性并不确定,且在临床现实中也并没有实现应用。三维培养成细胞球的方式可以更好地保持DP细胞的干性,但是其培养扩增的成本更加高昂,且高代数的3D培养传代在技术上还有挑战。通过iPSCs诱导形成DP细胞的路径已经基本走通,值得继续探索。由于人的头皮面积有限,哪怕是大量的异体的原代DP细胞的获得也难以实现,另外通过LEPR等DP表面蛋白抗体分选大量DP细胞是否也适用于人的DP细胞,还需要进行验证;异体DP细胞及其外泌体的注射可能会产生一定免疫排斥也是需要考量的因素。动物的原代DP细胞可以大量获得,但是其免疫排斥反应以及伦理的障碍将会更大。
5 展望
总结来说,DP作为毛囊的信号中枢,在毛囊发育以及毛发周期性生长发挥着至关重要的作用。DP细胞作为一种具有干性的特化的间充质细胞,未来有可能开发成一种细胞产品用于各种疾病的治疗。DP细胞可来源于毛囊毛乳头的解剖或者分选,也可以通过iPSCs分化而来。DP细胞因其表达干性因子,本身更容易重编程为iPSCs,成为iPSCs良好的种子细胞;作为SKPs的主要来源,它可用于神经、骨等的修复;在皮肤中,它以及衍伸的外泌体可以促进伤口愈合以及毛发再生(图1)。
DP细胞在二维培养中如何在增加传代数的同时保持干性,在三维培养中如何以更低的成本更简易地进行扩增,DP细胞注射到皮下后如何提高其定植的比例长效发挥功能,这将是基于DP细胞的细胞疗法所要克服的瓶颈。通过iPSCs诱导获得源源不断的DP细胞将是一条可行的新思路,提高iPSCs的诱导效率,将这一技术路线彻底打通,还需要更多的探究。
图1:DP细胞的来源以及其应用于细胞治疗的潜能。DP,dermal papilla,毛乳头;DFs,dermal fibroblasts,真皮成纤维细胞;DS,dermal sheath,真皮鞘;HFSCs,hair follicle stem cells,毛囊干细胞; HF,hair follicle,毛囊;iPSCs,induced pluripotent stem cells,诱导多能干细胞;NCSCs,neural crest stem cells,神经嵴干细胞; SKPs,skin-derived precursor,皮肤衍生的前体细胞。
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