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“禿如其來”的希望 干細胞技術讓人造皮膚長出毛發

趙漢斌
2020年07月14日08:25 | 來源:科技日報
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原標題:“禿如其來”的希望 干細胞技術讓人造皮膚長出毛發

皮膚是一種復雜的多層器官。此前,利用干細胞技術隻能獲得特定類型的皮膚細胞,無法再生出包含毛囊、汗腺等附屬結構的完整皮膚。而《自然》雜志報道的最新研究,首次在體外培育出包含這些附屬結構的皮膚類器官,並在移植到小鼠背部后長出了2—5毫米的毛發。

人的皮膚結構復雜而且極為重要。目前,人們在臨床應用的皮膚替代品,隻能實現表皮層和簡單真皮層的結構性修復,並不包含毛囊、汗腺、皮脂腺等皮膚附屬結構,更難以重建皮膚的體溫調節等各項功能。因此,長期以來,重建皮膚及其相關結構是生物醫學界的重大挑戰之一。

不久前,學術期刊《自然》發表重磅論文,介紹人造皮膚領域的新突破——美國哈佛醫學院耳鼻喉科助理教授卡爾·科勒,以及研究助理李智運(音譯)等人報告,他們在仔細優化類器官培養系統生長條件后,利用人類誘導多能干細胞,培養出能生長毛發的皮膚類器官。

最新突破 再生出毛囊和神經等附屬結構

皮膚是一種復雜的多層器官,由多種不同細胞類型構成,包括角質細胞、毛囊、黑色素細胞、汗腺、神經、肌肉、脂肪、免疫細胞和表皮細胞等。

其中真皮含有成纖維細胞、肥大細胞、黑色素細胞和朗格漢斯細胞等。成纖維細胞能產生膠原和彈力纖維等基質,而真皮中又密布著血管、神經、毛囊、汗腺和皮脂腺等附屬結構。皮膚還參與人的體溫調節、體液維持、觸覺及疼痛感知等各種過程。因此,構建具有附屬結構再生性能的新型皮膚替代物具有重要的意義。

昆明理工大學靈長類轉化醫學研究院李天晴教授向科技日報記者介紹,此前,利用人類誘導多能干細胞分化為皮膚特定類型的細胞取得了成功,然而再生出非常完整的皮膚結構,仍在探索中。美國這項新研究採用逐步調節轉化生長因子β(TGFβ)和成纖維細胞生長因子(FGF)信號通路的方法,將聚集成球的多能干細胞誘導生成了顱骨上皮細胞和神經嵴細胞。

在隨后的4至5個月內,球體內的細胞產生皮膚類器官,這些類器官由分層的表皮細胞、富含脂肪的真皮和帶有皮脂腺的色素毛囊組成。與毛囊相關的神經及其受體、肌肉和脂肪組織也開始生成,最終形成了非常完整的皮膚。“這是第一個將人類誘導多能干細胞分化為完整結構的皮膚類器官,因此,也是誘導多能干細胞再生組織器官的一個重大突破。”李天晴說。

在談到此項研究的創新點時,山東大學干細胞與再生醫學研究中心李棟教授說,李智運等人的創新,首先在於細胞間誘導分化模式。他們在仔細優化生長條件后,利用人類誘導多能干細胞,不但形成了多層皮膚組織,而且還包含毛囊、皮脂腺、脂肪組織和神經等多種附屬結構,這是其最主要的突破點。

3D培養模式 調控組織細胞分化方向

人類誘導多能干細胞是一類具有自我更新、快速增殖和多向分化能力的多潛能細胞。“從某種意義上說,隻要給它一定的誘導分化信號,它可以分化成體內所有的細胞類型。”李棟介紹,由於人體就是由細胞和細胞分泌物構成的,所以從理論上講,人類誘導多能干細胞可以修復任何一種組織細胞損傷。

雖然目前普遍認為人類誘導多能干細胞尚不能發育成一個完整的個體,但也足以模擬一些組織或器官的發生過程。因此,人類誘導多能干細胞可以直接在定向誘導為某幾種細胞之后,用於組織損傷的修復和器官再生,也可以用於模擬形成皮膚、肝臟等復雜的組織器官,進行功能替代、藥物篩選或是靶向腫瘤治療的研發。

最新研究利用來自干細胞生物學和毛囊發育領域的技術,來產生接近功能完整的皮膚類器官,並在實驗室中完成模仿皮膚的生長發育過程。此前,已有科學家培養出包括腸、肺、腎和腦的各種類器官。而干細胞包括胚胎干細胞和誘導多能干細胞,后者是通過將成年細胞重編程為類胚胎狀態而產生的,因此具有形成類器官所需的所有成年細胞類型的能力。

李棟介紹,李智運等人利用類器官3D培養模式,誘導出多種細胞類型,結合基質膠(matrigel,由多種細胞膠質蛋白組成的混合物)三維環境,促進細胞極性排列,讓細胞間實現通信互動。他們先誘導顱神經嵴細胞(CNCC)的形成,后續採用旋轉漂浮培養技術,控制CNCC和表皮細胞間相互影響、誘導和反饋,在類器官中形成具有突出毛囊的胞囊,協作發育並最終形成功能性皮膚組織,模擬了皮膚組織間相互誘導分化的發育過程。

此項研究的另一個重要創新,在於皮膚組織培養的多個關鍵節點上。他們有序地採用了多種因子和信號通路抑制劑,並精密控制氣液界面培養的介入時機,調控組織細胞的分化方向。“這一培養體系也可用於其他組織器官的再生。”李天晴說。

“毛囊和汗腺等皮膚附屬結構精細,形態微小,分離純化過程復雜,制約了人工皮膚領域的研發進展。而這項研究,直接利用誘導多能干細胞分化形成皮膚附屬結構中的各種組織細胞,如果能在組織支架材料上得以放大這種培養工藝,將更具產業化價值。”李棟說。

仍處於初級階段 朝皮膚重建和毛發移植邁出重要一步

皮膚類器官在用於皮膚燒傷的疤痕體質患者的皮膚重建以及頭發移植等方面,具有潛在的重要價值。

《自然》雜志特別邀請美國賓夕法尼亞大學醫學院皮膚科主任喬治·科薩雷利斯教授等就這一成果撰寫了新聞與觀點文章。他們認為,這一成果使人們離“產生無限量的毛囊更進了一步”,這些毛囊可以“移植到毛發稀疏或脫落的頭皮上”。“此外,如果這一方法應用於臨床,那些有傷口、疤痕和遺傳性皮膚病的人將有機會獲得革命性的治療。”

“新的研究所形成的細胞誘導順序、培養試劑體系和方法,如果能夠得到重復,而且解決工藝規模化等問題,不但可以用於臨床治療脫發等難題,還可以用於構建含有附屬結構的復合皮膚,直接應用於臨床。”李棟認為,因為科勒等人將培養的皮膚類器官移植到免疫缺陷小鼠背部后,55%的移植物上都長出了2—5毫米的毛發,所以這種技術可直接用於毛發移植治療。同樣這個體外培養體系也可以用於篩選脫發治療的藥物,或用於加速遺傳性皮膚病和皮膚癌症的藥物篩選等研究。

論文作者還發現,他們的類器官在基因表達上具有多個部位皮膚的特征。這樣通過改變細胞生長的培養條件,可以定制化地生成具有不同身體部位特征的皮膚,用於治療重度燒燙傷以及機械外傷導致的大面積皮膚損傷。

當然,此項研究還處於初期階段,產生的皮膚類器官缺乏免疫細胞,而且這些結構能否在高等動物以及人體上實現皮膚或毛發的再生仍是未知。“因此,這些移植的皮膚是否具有足夠的安全性以及能否像正常體內皮膚一樣具有循環生長的能力,都需要去探索。”李天晴說。

另外,類皮膚器官產生、移植需要140天的時間,也可能會影響治療的潛力——例如,燒傷患者不能等那麼久才進行植皮手術。未來的研究,應提供策略來加速這個過程,使用分子改變相關的信號通路。但學界仍普遍認為,李智運等的研究是朝著治愈人類脫發邁出的重要一步,並為其他更多類型的治療提供了可能性。

李智運接受媒體採訪時表示:“我們的結果表明,新技術在體外可自我組裝成幾乎完整的皮膚,並可以在體內重建皮膚。我們預計這種皮膚類器官將為人類皮膚發育、疾病建模和重建手術等研究奠定重要基礎。”

(責編:趙竹青、呂騫)

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