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“秃如其来”的希望 干细胞技术让人造皮肤长出毛发

来源:科技日报2020-07-14 09:42

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  皮肤是一种复杂的多层器官。此前,利用干细胞技术只能获得特定类型的皮肤细胞,无法再生出包含毛囊、汗腺等附属结构的完整皮肤。而《自然》杂志报道的最新研究,首次在体外培育出包含这些附属结构的皮肤类器官,并在移植到小鼠背部后长出了2—5毫米的毛发。

  人的皮肤结构复杂而且极为重要。目前,人们在临床应用的皮肤替代品,只能实现表皮层和简单真皮层的结构性修复,并不包含毛囊、汗腺、皮脂腺等皮肤附属结构,更难以重建皮肤的体温调节等各项功能。因此,长期以来,重建皮肤及其相关结构是生物医学界的重大挑战之一。

  不久前,学术期刊《自然》发表重磅论文,介绍人造皮肤领域的新突破——美国哈佛医学院耳鼻喉科助理教授卡尔·科勒,以及研究助理李智运(音译)等人报告,他们在仔细优化类器官培养系统生长条件后,利用人类诱导多能干细胞,培养出能生长毛发的皮肤类器官。

  最新突破 再生出毛囊和神经等附属结构

  皮肤是一种复杂的多层器官,由多种不同细胞类型构成,包括角质细胞、毛囊、黑色素细胞、汗腺、神经、肌肉、脂肪、免疫细胞和表皮细胞等。

  其中真皮含有成纤维细胞、肥大细胞、黑色素细胞和朗格汉斯细胞等。成纤维细胞能产生胶原和弹力纤维等基质,而真皮中又密布着血管、神经、毛囊、汗腺和皮脂腺等附属结构。皮肤还参与人的体温调节、体液维持、触觉及疼痛感知等各种过程。因此,构建具有附属结构再生性能的新型皮肤替代物具有重要的意义。

  昆明理工大学灵长类转化医学研究院李天晴教授向科技日报记者介绍,此前,利用人类诱导多能干细胞分化为皮肤特定类型的细胞取得了成功,然而再生出非常完整的皮肤结构,仍在探索中。美国这项新研究采用逐步调节转化生长因子β(TGFβ)和成纤维细胞生长因子(FGF)信号通路的方法,将聚集成球的多能干细胞诱导生成了颅骨上皮细胞和神经嵴细胞。

  在随后的4至5个月内,球体内的细胞产生皮肤类器官,这些类器官由分层的表皮细胞、富含脂肪的真皮和带有皮脂腺的色素毛囊组成。与毛囊相关的神经及其受体、肌肉和脂肪组织也开始生成,最终形成了非常完整的皮肤。“这是第一个将人类诱导多能干细胞分化为完整结构的皮肤类器官,因此,也是诱导多能干细胞再生组织器官的一个重大突破。”李天晴说。

  在谈到此项研究的创新点时,山东大学干细胞与再生医学研究中心李栋教授说,李智运等人的创新,首先在于细胞间诱导分化模式。他们在仔细优化生长条件后,利用人类诱导多能干细胞,不但形成了多层皮肤组织,而且还包含毛囊、皮脂腺、脂肪组织和神经等多种附属结构,这是其最主要的突破点。

  3D培养模式 调控组织细胞分化方向

  人类诱导多能干细胞是一类具有自我更新、快速增殖和多向分化能力的多潜能细胞。“从某种意义上说,只要给它一定的诱导分化信号,它可以分化成体内所有的细胞类型。”李栋介绍,由于人体就是由细胞和细胞分泌物构成的,所以从理论上讲,人类诱导多能干细胞可以修复任何一种组织细胞损伤。

  虽然目前普遍认为人类诱导多能干细胞尚不能发育成一个完整的个体,但也足以模拟一些组织或器官的发生过程。因此,人类诱导多能干细胞可以直接在定向诱导为某几种细胞之后,用于组织损伤的修复和器官再生,也可以用于模拟形成皮肤、肝脏等复杂的组织器官,进行功能替代、药物筛选或是靶向肿瘤治疗的研发。

  最新研究利用来自干细胞生物学和毛囊发育领域的技术,来产生接近功能完整的皮肤类器官,并在实验室中完成模仿皮肤的生长发育过程。此前,已有科学家培养出包括肠、肺、肾和脑的各种类器官。而干细胞包括胚胎干细胞和诱导多能干细胞,后者是通过将成年细胞重编程为类胚胎状态而产生的,因此具有形成类器官所需的所有成年细胞类型的能力。

  李栋介绍,李智运等人利用类器官3D培养模式,诱导出多种细胞类型,结合基质胶(matrigel,由多种细胞胶质蛋白组成的混合物)三维环境,促进细胞极性排列,让细胞间实现通信互动。他们先诱导颅神经嵴细胞(CNCC)的形成,后续采用旋转漂浮培养技术,控制CNCC和表皮细胞间相互影响、诱导和反馈,在类器官中形成具有突出毛囊的胞囊,协作发育并最终形成功能性皮肤组织,模拟了皮肤组织间相互诱导分化的发育过程。

  此项研究的另一个重要创新,在于皮肤组织培养的多个关键节点上。他们有序地采用了多种因子和信号通路抑制剂,并精密控制气液界面培养的介入时机,调控组织细胞的分化方向。“这一培养体系也可用于其他组织器官的再生。”李天晴说。

  “毛囊和汗腺等皮肤附属结构精细,形态微小,分离纯化过程复杂,制约了人工皮肤领域的研发进展。而这项研究,直接利用诱导多能干细胞分化形成皮肤附属结构中的各种组织细胞,如果能在组织支架材料上得以放大这种培养工艺,将更具产业化价值。”李栋说。

  仍处于初级阶段 朝皮肤重建和毛发移植迈出重要一步

  皮肤类器官在用于皮肤烧伤的疤痕体质患者的皮肤重建以及头发移植等方面,具有潜在的重要价值。

  《自然》杂志特别邀请美国宾夕法尼亚大学医学院皮肤科主任乔治·科萨雷利斯教授等就这一成果撰写了新闻与观点文章。他们认为,这一成果使人们离“产生无限量的毛囊更进了一步”,这些毛囊可以“移植到毛发稀疏或脱落的头皮上”。“此外,如果这一方法应用于临床,那些有伤口、疤痕和遗传性皮肤病的人将有机会获得革命性的治疗。”

  “新的研究所形成的细胞诱导顺序、培养试剂体系和方法,如果能够得到重复,而且解决工艺规模化等问题,不但可以用于临床治疗脱发等难题,还可以用于构建含有附属结构的复合皮肤,直接应用于临床。”李栋认为,因为科勒等人将培养的皮肤类器官移植到免疫缺陷小鼠背部后,55%的移植物上都长出了2—5毫米的毛发,所以这种技术可直接用于毛发移植治疗。同样这个体外培养体系也可以用于筛选脱发治疗的药物,或用于加速遗传性皮肤病和皮肤癌症的药物筛选等研究。

  论文作者还发现,他们的类器官在基因表达上具有多个部位皮肤的特征。这样通过改变细胞生长的培养条件,可以定制化地生成具有不同身体部位特征的皮肤,用于治疗重度烧烫伤以及机械外伤导致的大面积皮肤损伤。

  当然,此项研究还处于初期阶段,产生的皮肤类器官缺乏免疫细胞,而且这些结构能否在高等动物以及人体上实现皮肤或毛发的再生仍是未知。“因此,这些移植的皮肤是否具有足够的安全性以及能否像正常体内皮肤一样具有循环生长的能力,都需要去探索。”李天晴说。

  另外,类皮肤器官产生、移植需要140天的时间,也可能会影响治疗的潜力——例如,烧伤患者不能等那么久才进行植皮手术。未来的研究,应提供策略来加速这个过程,使用分子改变相关的信号通路。但学界仍普遍认为,李智运等的研究是朝着治愈人类脱发迈出的重要一步,并为其他更多类型的治疗提供了可能性。

  李智运接受媒体采访时表示:“我们的结果表明,新技术在体外可自我组装成几乎完整的皮肤,并可以在体内重建皮肤。我们预计这种皮肤类器官将为人类皮肤发育、疾病建模和重建手术等研究奠定重要基础。”(记者 赵汉斌)

[ 责编:赵宇豪 ]
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