毛囊干细胞的研究进展

白青山，金世柱，韩明子

哈尔滨医科大学附属第二医院消化内科，黑龙江 哈尔滨 150086

毛囊是皮肤的衍生物，由表皮下陷而形成。毛囊干细胞(hair follicle stem cell，HFSC)定位于毛囊上部，由外根鞘形成的明显突起，即隆突区域(bulge)，表现为未分化的原始细胞及标记的停留细胞，有多种明确的分子标记物如CD34、K15、K19、α6、β1、Nestin、Lgr5、Sox9、Tcf3［1-2］。毛囊干细胞具有其他成体干细胞的共同特性，具有多向分化的潜能［3］。人成体毛囊中含有类似于骨髓间充质干细胞的细胞，将其定义为人毛囊间充质样干细胞(human follicular mesenchymal like stem cells，HF-MSC)。HF-MSC 不仅表达骨髓间充质干细胞的表型，而且还具有多方向分化潜能，即分化为脂肪、软骨、骨、血管平滑肌、神经元和神经胶质细胞等组织特异性细胞和造血细胞［4］。毛囊干细胞具有许多与骨髓间充质干细胞相似的特性。近年来，毛囊干细胞多向分化潜能的研究备受关注，已经成为当今干细胞研究领域的热点科学问题之一。本文对毛囊干细胞多向分化潜能在再生医学应用当中的研究进展作一概述。

1 毛囊干细胞概况

1.1 毛囊和毛囊干细胞 毛囊在毛发再生过程中至少经历8个不同的上皮细胞系［5］。毛发由隆突部位定植的毛发初生期的基底部快速增殖的基质角质化细胞发育而来。毛发初生期阶段的长短依据毛发的长度而有所不同。此外，基质细胞可以在初生期细胞发生退行性改变后而阻止毛发的增殖。经历退行性改变后，较低位置新生毛囊占毛发的比例较低时，新的毛发再生过程便开始了［6］。毛囊干细胞定植在毛囊隆突部位，具有干细胞的特性，包括多向分化潜能、潜在的高增殖能力和保持细胞静止的能力。谱系分析技术已经证实几乎所有的内皮细胞层内成体毛囊和毛发均起源于隆突部位的细胞［7］。因此，毛囊干细胞可能在毛囊的每一个增殖循环中均发挥重要作用。

1.2 毛囊干细胞的标志物 没有明确的干细胞标志物来鉴定隆突区域的毛囊干细胞，已经严重地阻碍了毛囊干细胞的研究进程。Trempus等［8］首先证实了CD34 阳性表达于毛囊干细胞，可以作为毛囊干细胞的标志物之一。根据这一发现，科研人员凭借CD34抗体利用流式细胞分选技术获取大量存活的隆突区干细胞［9］。角蛋白15 在隆突区高水平表达，但在外毛根鞘和表皮的基底层呈现低表达水平［10］。利用K15 启动子复制的转基因小鼠能够有效的限制成年小鼠隆突的增殖［11］。利用连接绿色荧光蛋白作为报告基因同时表达神经干细胞标志物巢蛋白(nestin)的转基因小鼠，研究人员证实了巢蛋白也可以作为毛囊干细胞的标志物。这些围绕在毛干周围隆突区形态较小的卵圆形表达巢蛋白的细胞通过短的树突细胞相互连接在一起。在毛发初生的中晚期，表达绿色荧光蛋白的细胞定位表达于外毛根鞘的上部及隆突区域;但在毛囊基质的壶腹部不表达。这些发现证实巢蛋白阳性表达的细胞形成了外毛根鞘。Morris等［12］利用绿色荧光蛋白在转基因小鼠体内成功地分离出毛囊干细胞。Yu等［13］证实了巢蛋白同时表达于人毛囊干细胞。位于毛囊隆突区表达巢蛋白的细胞是毛囊干细胞，这个证据说明:这些细胞不仅仅是定植于毛囊隆突区的干细胞，同时也是表达毛囊皮脂腺单元的内皮组分;经过一段时间的分化，这些毛囊干细胞可以产生大量的毛囊。Li等［14］发现巢蛋白表达于毛囊干细胞的同时，也可以与其他毛囊干细胞的标志物共呈，但在其他干细胞中也难发现共呈现象。

2 毛囊干细胞的多向分化潜能

从成年小鼠获取的毛囊干细胞与新生的皮肤细胞联合注射到免疫缺陷小鼠的皮下可以发现新生毛囊的出现。来源于成年小鼠经过培养的单个隆突细胞克隆在皮肤重建模型中也能分化成为新生的毛囊［15］。另外的一个研究小组也发现了来源于成年小鼠外毛根鞘上部的毛囊干细胞具有多向分化潜能，这些细胞不仅能够分化成毛囊基质细胞，还能分化为皮脂腺基底细胞和内皮细胞。Toma等［16］认为来源于哺乳动物表皮的多向分化潜能的干细胞，也被称为皮肤来源的前体细胞，能够在培养过程中增殖并分化成神经元、神经胶质细胞、平滑肌细胞和脂肪细胞;但是这些干细胞在皮肤的具体定植部位及其功能还不是很清楚。

2.1 毛囊干细胞分化成血管 新近研究人员发现巢蛋白和绿色荧光蛋白联合标记的转基因小鼠体内，起源于毛囊的干细胞能够分化成为血管［17］。这一现象在巢蛋白和绿色荧光蛋白联合标记的转基因小鼠来源的胡须毛囊干细胞植入皮肤受损的裸鼠皮下之后，新生的血管结构可以清晰地找到;这些新生的血管结构表达内皮细胞特异性标志CD31和血管假性血友病因子(von Willebrand factor)。

2.2 毛囊干细胞分化成神经元和其他类型的细胞

有研究证实巢蛋白和绿色荧光蛋白联合标记的毛囊干细胞在体外能够定向分化成为神经元、胶质细胞、角质化细胞、平滑肌细胞和黑色素细胞。这些经巢蛋白和绿色荧光蛋白联合标记的毛囊干细胞具有多向分化潜能，并且阳性表达CD34 干细胞标志物，阴性表达K15，表明这些细胞处于原始的未分化状态。此外，研究人员发现毛囊干细胞接种于裸鼠皮下后能够分化成为神经元结构［18］。

2.3 毛囊干细胞修复神经细胞 科研人员发现［19］，将绿色荧光蛋白标记的毛囊干细胞植入坐骨神经切断的缝隙部位，神经再生能力明显提高，并且神经功能也得到显著的恢复。移植的毛囊干细胞绝大多数分化成为雪旺氏细胞，这些细胞可以显著地增加神经元的再生。再生后重新连接的坐骨神经的功能通过电刺激腓肠肌的收缩功能来加以评价，发现移植毛囊干细胞的实验动物恢复了正常的行走能力。

3 展望

毛囊隆突区域富含大量的较易获取的具有多向分化潜能的毛囊干细胞。这些毛囊干细胞表达干细胞标志物CD34和巢蛋白，但不表达角质化细胞标志物K15，这一特点表明毛囊干细胞处于未分化状态。毛囊干细胞在体外能够分化成为神经元、胶质细胞、角质化细胞、平滑肌细胞和黑色素细胞。体内实验研究表明巢蛋白和绿色荧光蛋白标记的毛囊干细胞移植到裸鼠皮下能够分化成为血管和神经组织。毛囊干细胞植入到坐骨神经或胫神经离断处的缝隙中，能够促进离断神经的再生并促进受损神经的功能恢复。毛囊干细胞能够转分化为大量的雪旺氏细胞来促进神经元的再生，有助于恢复正常的行走能力。因此，毛囊干细胞移植技术提供了一个有效的、方便的自体来源的干细胞来治疗周围神经损伤。因此，毛囊干细胞在再生医学中可以替代胚胎干细胞治疗各种疾病，而且毛囊干细胞移植较胚胎干细胞移植没有伦理学问题。更为重要的是，与其他来源的干细胞相比，毛囊干细胞更加容易从患者自身获取，在体外经培养扩增后可以直接应用于患者。Jahoda 研究小组证实了毛囊干细胞可以分化为小鼠血液细胞，能够分化成为脂肪细胞和成骨细胞，并且参与组织损伤的修复［20-22］。毛囊干细胞在毛发再生领域也有极大的应用价值。

［1］Lin CM，Li Y.Beta-catenin controls hair follicle morphogenesis and stem cell differentiation［J］.Journal of Medical Postgraduates，2004，17(4):358-360.林常敏，李宇.β-连环蛋白在毛囊形态发生及毛囊干细胞增生分化的作用［J］.医学研究生学报，2004，17(4):358-360.

［2］Tsai SY，Clavel C，Kim S，et al.Oct4 and klf4 reprogram dermal papilla cells into induced pluripotent stem cells［J］.Stem Cells，2010，28(2):221-228.

［3］Wu JC，Yang TT，Xu X，et al.Research on differentiation of human bone marrow-derived mesenchymal stem cells into chondrocytes in vitro［J］.J Med Postgra，2010，23(2):128-132.吴家昌，杨彤涛，许啸，等.人骨髓间充质干细胞体外向软骨细胞分化的实验研究［J］.医学研究生学报，2010，23(2):128-132.

［4］Jaks V，Barker N，Kasper M，et al.Igr 5 marks cycling，yet longlived，hair follicle stem cells ［J］.Nat Genet，2008，40 (11):1291-1299.

［5］Cotsarelis G.Epithelial stem cells:a folliculocentric view［J］.J Invest Dermatol，2006，126(7):1459-1468.

［6］Hoffman RM.The potential of nestin-expressing hair follicle stem cells in regenerative medicine［J］.Expert Opin Biol Ther，2007，7(3):289-291.

［7］Myung P，Andl T，Ito M.Defining the hair follicle stem cell (Part I)［J］.J Cutan Pathol，2009，36(9):1031-1034.

［8］Trempus CS，Morris RJ，Bortner CD，et al.Enrichment for living murine keratinocytes from the hair follicle bulge with the cell surface marker CD34［J］.J Invest Dermatol，2003，120(4):501-511.

［9］Blanpain C，Lowry WE，Geoghegan A，et al.Self-renewal，multipotency，and the existence of two cell populations within an epithelial stem cell niche［J］.Cell，2004，118(5):635-648.

［10］Waseem A，Dogan B，Tidman N，et al.Keratin 15 expression in stratified epithelia:downregulation in activated keratinocytes［J］.J Invest Dermatol，1999，112(3):362-369.

［11］Liu Y，Lyle S，Yang Z，et al.Keratin 15 promoter targets putative epithelial stem cells in the hair follicle bulge［J］.J Invest Dermatol，2003，121(5):963-968.

［12］Morris RJ，Liu Y，Marles L，et al.Capturing and profiling adult hair follicle stem cells［J］.Nat Biotechnol，2004，22(4):411-417.

［13］Yu H，Fang D，Kumar SM，et al.Isolation of a novel population of multipotent adult stem cells from human hair follicles ［J］.Am J Pathol，2006，168(6):1879-1888.

［14］Li L，Mignone J，Yang M，et al.Nestin expression in hair follicle sheath progenitor cells［J］.Proc Natl Acad Sci U S A，2003，100(17):9958-9961.

［15］Amoh Y，Katsuoka K，Hoffman RM.The advantages of hair follicle pluripotent stem cells over embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells for regenerative medicine［J］.J Dermatol Sci，2010，60(3):131-137.

［16］Toma JG，Akhavan M，Fernandes KJ，et al.Isolation of multipotent adult stem cells from the dermis of mammalian skin［J］.Nat Cell Biol，2001，3(9):778-784.

［17］Amoh Y，Li L，Yang M，et al.Nascent blood vessels in the skin arise from nestin-expressing hair-follicle cells［J］.Proc Natl Acad Sci U S A，2004，101(36):13291-13295.

［18］Amoh Y，Li L，Katsuoka K，et al.Multipotent nestin-positive，keratin-negative hair-follicle bulge stem cells can form neurons［J］.Proc Natl Acad Sci U S A，2005，102(15):5530-5534.

［19］Amoh Y，Li L，Campillo R，et al.Implanted hair follicle stem cells form Schwann cells that support repair of severed peripheral nerves［J］.Proc Natl Acad Sci U S A，2005，102(49):17734-17738.

［20］Lako M，Armstrong L，Cairns PM，et al.Hair follicle dermal cells repopulate the mouse haematopoietic system［J］.J Cell Sci，2002，115(Pt 20):3967-3974.

［21］Jahoda CA，Whitehouse J，Reynolds AJ，et al.Hair follicle dermal cells differentiate into adipogenic and osteogenic lineages［J］.Exp Dermatol，2003，12(6):849-859.

［22］Sugiyama-Nakagiri Y，Akiyama M，Shimizu H.Hair follicle stem cell-targeted gene transfer and reconstitution system［J］.Gene Ther，2006，13(8):732-737.