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

人的皮膚結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且極為重要。目前，人們在臨床應(yīng)用的皮膚替代品，只能實(shí)現(xiàn)表皮層和簡單真皮層的結(jié)構(gòu)性修復(fù)，并不包含毛囊、汗腺、皮脂腺等皮膚附屬結(jié)構(gòu)，更難以重建皮膚的體溫調(diào)節(jié)等各項(xiàng)功能。因此，長期以來，重建皮膚及其相關(guān)結(jié)構(gòu)是生物醫(yī)學(xué)界的重大挑戰(zhàn)之一。

不久前，學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表重磅論文，介紹人造皮膚領(lǐng)域的新突破——美國哈佛醫(yī)學(xué)院耳鼻喉科助理教授卡爾·科勒，以及研究助理李智運(yùn)(音譯)等人報(bào)告，他們在仔細(xì)優(yōu)化類器官培養(yǎng)系統(tǒng)生長條件后，利用人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，培養(yǎng)出能生長毛發(fā)的皮膚類器官。

最新突破 再生出毛囊和神經(jīng)等附屬結(jié)構(gòu)

皮膚是一種復(fù)雜的多層器官，由多種不同細(xì)胞類型構(gòu)成，包括角質(zhì)細(xì)胞、毛囊、黑色素細(xì)胞、汗腺、神經(jīng)、肌肉、脂肪、免疫細(xì)胞和表皮細(xì)胞等。

其中真皮含有成纖維細(xì)胞、肥大細(xì)胞、黑色素細(xì)胞和朗格漢斯細(xì)胞等。成纖維細(xì)胞能產(chǎn)生膠原和彈力纖維等基質(zhì)，而真皮中又密布著血管、神經(jīng)、毛囊、汗腺和皮脂腺等附屬結(jié)構(gòu)。皮膚還參與人的體溫調(diào)節(jié)、體液維持、觸覺及疼痛感知等各種過程。因此，構(gòu)建具有附屬結(jié)構(gòu)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(xué)靈長類轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院李天晴教授向科技日報(bào)記者介紹，此前，利用人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞分化為皮膚特定類型的細(xì)胞取得了成功，然而再生出非常完整的皮膚結(jié)構(gòu)，仍在探索中。美國這項(xiàng)新研究采用逐步調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化生長因子β(TGFβ)和成纖維細(xì)胞生長因子(FGF)信號通路的方法，將聚集成球的多能干細(xì)胞誘導(dǎo)生成了顱骨上皮細(xì)胞和神經(jīng)嵴細(xì)胞。

在隨后的4至5個(gè)月內(nèi)，球體內(nèi)的細(xì)胞產(chǎn)生皮膚類器官，這些類器官由分層的表皮細(xì)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(guān)的神經(jīng)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(gè)將人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞分化為完整結(jié)構(gòu)的皮膚類器官，因此，也是誘導(dǎo)多能干細(xì)胞再生組織器官的一個(gè)重大突破。”李天晴說。

在談到此項(xiàng)研究的創(chuàng)新點(diǎn)時(shí)，山東大學(xué)干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究中心李棟教授說，李智運(yùn)等人的創(chuàng)新，首先在于細(xì)胞間誘導(dǎo)分化模式。他們在仔細(xì)優(yōu)化生長條件后，利用人類誘導(dǎo)多能干細(xì)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(jīng)等多種附屬結(jié)構(gòu)，這是其最主要的突破點(diǎn)。

3D培養(yǎng)模式 調(diào)控組織細(xì)胞分化方向

人類誘導(dǎo)多能干細(xì)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(xì)胞。“從某種意義上說，只要給它一定的誘導(dǎo)分化信號，它可以分化成體內(nèi)所有的細(xì)胞類型。”李棟介紹，由于人體就是由細(xì)胞和細(xì)胞分泌物構(gòu)成的，所以從理論上講，人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞可以修復(fù)任何一種組織細(xì)胞損傷。

雖然目前普遍認(rèn)為人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞尚不能發(fā)育成一個(gè)完整的個(gè)體，但也足以模擬一些組織或器官的發(fā)生過程。因此，人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞可以直接在定向誘導(dǎo)為某幾種細(xì)胞之后，用于組織損傷的修復(fù)和器官再生，也可以用于模擬形成皮膚、肝臟等復(fù)雜的組織器官，進(jìn)行功能替代、藥物篩選或是靶向腫瘤治療的研發(fā)。

最新研究利用來自干細(xì)胞生物學(xué)和毛囊發(fā)育領(lǐng)域的技術(shù)，來產(chǎn)生接近功能完整的皮膚類器官，并在實(shí)驗(yàn)室中完成模仿皮膚的生長發(fā)育過程。此前，已有科學(xué)家培養(yǎng)出包括腸、肺、腎和腦的各種類器官。而干細(xì)胞包括胚胎干細(xì)胞和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，后者是通過將成年細(xì)胞重編程為類胚胎狀態(tài)而產(chǎn)生的，因此具有形成類器官所需的所有成年細(xì)胞類型的能力。

李棟介紹，李智運(yùn)等人利用類器官3D培養(yǎng)模式，誘導(dǎo)出多種細(xì)胞類型，結(jié)合基質(zhì)膠(matrigel，由多種細(xì)胞膠質(zhì)蛋白組成的混合物)三維環(huán)境，促進(jìn)細(xì)胞極性排列，讓細(xì)胞間實(shí)現(xiàn)通信互動(dòng)。他們先誘導(dǎo)顱神經(jīng)嵴細(xì)胞(CNCC)的形成，后續(xù)采用旋轉(zhuǎn)漂浮培養(yǎng)技術(shù)，控制CNCC和表皮細(xì)胞間相互影響、誘導(dǎo)和反饋，在類器官中形成具有突出毛囊的胞囊，協(xié)作發(fā)育并最終形成功能性皮膚組織，模擬了皮膚組織間相互誘導(dǎo)分化的發(fā)育過程。

此項(xiàng)研究的另一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新，在于皮膚組織培養(yǎng)的多個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上。他們有序地采用了多種因子和信號通路抑制劑，并精密控制氣液界面培養(yǎng)的介入時(shí)機(jī)，調(diào)控組織細(xì)胞的分化方向。“這一培養(yǎng)體系也可用于其他組織器官的再生。”李天晴說。

“毛囊和汗腺等皮膚附屬結(jié)構(gòu)精細(xì)，形態(tài)微小，分離純化過程復(fù)雜，制約了人工皮膚領(lǐng)域的研發(fā)進(jìn)展。而這項(xiàng)研究，直接利用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞分化形成皮膚附屬結(jié)構(gòu)中的各種組織細(xì)胞，如果能在組織支架材料上得以放大這種培養(yǎng)工藝，將更具產(chǎn)業(yè)化價(jià)值。”李棟說。

仍處于初級階段 朝皮膚重建和毛發(fā)移植邁出重要一步

皮膚類器官在用于皮膚燒傷的疤痕體質(zhì)患者的皮膚重建以及頭發(fā)移植等方面，具有潛在的重要價(jià)值。

《自然》雜志特別邀請美國賓夕法尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)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(diǎn)文章。他們認(rèn)為，這一成果使人們離“產(chǎn)生無限量的毛囊更進(jìn)了一步”，這些毛囊可以“移植到毛發(fā)稀疏或脫落的頭皮上”。“此外，如果這一方法應(yīng)用于臨床，那些有傷口、疤痕和遺傳性皮膚病的人將有機(jī)會(huì)獲得革命性的治療。”

“新的研究所形成的細(xì)胞誘導(dǎo)順序、培養(yǎng)試劑體系和方法，如果能夠得到重復(fù)，而且解決工藝規(guī)模化等問題，不但可以用于臨床治療脫發(fā)等難題，還可以用于構(gòu)建含有附屬結(jié)構(gòu)的復(fù)合皮膚，直接應(yīng)用于臨床。”李棟認(rèn)為，因?yàn)榭评盏热藢⑴囵B(yǎng)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(fā)，所以這種技術(shù)可直接用于毛發(fā)移植治療。同樣這個(gè)體外培養(yǎng)體系也可以用于篩選脫發(fā)治療的藥物，或用于加速遺傳性皮膚病和皮膚癌癥的藥物篩選等研究。

論文作者還發(fā)現(xiàn)，他們的類器官在基因表達(dá)上具有多個(gè)部位皮膚的特征。這樣通過改變細(xì)胞生長的培養(yǎng)條件，可以定制化地生成具有不同身體部位特征的皮膚，用于治療重度燒燙傷以及機(jī)械外傷導(dǎo)致的大面積皮膚損傷。

當(dāng)然，此項(xiàng)研究還處于初期階段，產(chǎn)生的皮膚類器官缺乏免疫細(xì)胞，而且這些結(jié)構(gòu)能否在高等動(dòng)物以及人體上實(shí)現(xiàn)皮膚或毛發(fā)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(nèi)皮膚一樣具有循環(huán)生長的能力，都需要去探索。”李天晴說。

另外，類皮膚器官產(chǎn)生、移植需要140天的時(shí)間，也可能會(huì)影響治療的潛力——例如，燒傷患者不能等那么久才進(jìn)行植皮手術(shù)。未來的研究，應(yīng)提供策略來加速這個(gè)過程，使用分子改變相關(guān)的信號通路。但學(xué)界仍普遍認(rèn)為，李智運(yùn)等的研究是朝著治愈人類脫發(fā)邁出的重要一步，并為其他更多類型的治療提供了可能性。

李智運(yùn)接受媒體采訪時(shí)表示：“我們的結(jié)果表明，新技術(shù)在體外可自我組裝成幾乎完整的皮膚，并可以在體內(nèi)重建皮膚。我們預(yù)計(jì)這種皮膚類器官將為人類皮膚發(fā)育、疾病建模和重建手術(shù)等研究奠定重要基礎(chǔ)。”(記者 趙漢斌)