毛囊：微环境与干细胞相互作用的理想模型
2015-11-03陈瑞琦廖联明
陈瑞琦 廖联明
毛囊：微环境与干细胞相互作用的理想模型
陈瑞琦廖联明
人体内的组织和器官的形态和功能是恒定的。这就需要组织内的细胞新生与凋亡保持动态平衡。已有大量证据表明组织中新生细胞的主要来源为干细胞。对于体内干细胞的行为和活动是如何被控制的以及干细胞间是如何相互协调来维持机体稳定的还了解不够。最近的研究表明，皮肤毛囊作为模型体系来研究组织再生具有很多优势。
干细胞； 微环境； 毛囊
一、干细胞和微环境
干细胞微环境（stem cell niche）的概念最早是Schofi eld［1］于1978年提出来的。当时研究人员发现经过化疗药物处理的动物其脾集落形成细胞（spleen colony-forming cell）的恢复程度和化疗药物的种类相关。由于脾集落形成细胞几乎不会衰绝，这和之前提出的脾集落形成细胞具有年龄结构（аge-structure）不相吻合。为此，Schofi eld提出了造血干细胞微环境的概念，认为造血干细胞必须和其它细胞接触，以控制其不会分化，保持干细胞的状态（图1）。此概念收到了很多实验的支持［2-6］。
图1 在骨内膜骨附件，造血干细胞在由基质细胞和成骨细胞组成的微环境中保持不分化的状态，同时造血干细胞不断分化出祖细胞，最后进入外周血成为成熟的细胞
现在大家一致公认成体干细胞必须存在于特定的微环境（niche）中，才能维持自身的稳定［7］。该微环境影响并决定着成体干细胞的分化方向。微环境除了指干细胞所处的基质外，还包括对于干细胞命运（增殖/分化）起调控作用的各种信号分子（生长因子及其受体，激素及介导分子［8］）。干细胞微环境的概念是在上世纪七十年代针对于人类造血干细胞而提出来的［9］，随后在表皮、消化道上皮、神经系统和性腺等组织也提出相似的概念［10-11］。干细胞的增殖分化行为一方面被细胞本身预先程序化，另一方面受其所处的微环境影响。微环境可通过调控干细胞处于静止期并维持分化与自我更新之间的平衡而避免肿瘤的发生［12-13］。
二、毛囊模型
毛囊为围绕毛发的管状囊样结构，由表皮向下凹陷，深入真皮而成。它由上皮成分和真皮成分组成。上皮成分包括内根鞘和外根鞘，真皮成分包括毛乳头和真皮鞘。将毛囊作为干细胞生物学的模式器官，是考虑到它包含了几种不同类型的干细胞，例如间充质干细胞，上皮细胞；且利用了多条信号通路，如Wnt、Shh、BMP信号传导途径这些信号通路也存在于许多其他组织中［14-15］。和其他组织相比，毛囊观察方便、结构稳定且可以连续再生。这个过程依赖于干细胞库维持了毛发再生过程中的连续增长（生长期），衰退（退化期）以及静止（静息期）。这些关键特性使得研究人员可以使用毛囊来研究在一个完整的微小器官内干细胞的静止和激活是如何被控制的。此外，毛囊的上皮部分排列有序，可以区别出不同的细胞类型，比如不同类型的干细胞及它们分化后的细胞，因为这些细胞的位置、形态及分子标记各不相同［16-18］。特别的，在毛囊内，干细胞区域由两个不同位置的上皮细胞组成：隆突部，环绕着适量的毛发基部（称为毛干）；毛基质，位于隆突部干细胞的正下方并紧挨着具有间充质特性的毛乳头所处的微环境［19-20］。毛囊中有两个功能不同的干细胞库：激活毛基质细胞后毛囊可以更快地回应环境刺激开始新的增长周期而这时隆突部干细胞则进入静息期。组织内的这种双隔间作用既能满足组织的快速增长又能保持长期干细胞库稳定。这种双隔间在其他组织例如骨髓和大脑中也存在［21-22］。
三、皮肤再生与毛囊干细胞
再生循环的开始，毛囊上皮成分开始向下生长。为了阐明这种定向生长是通过特定空间组织的细胞分裂来实现还是由随机细胞分裂顶替然后向下迁移并重组，必须了解干细胞在器官内的分裂和迁移。在毛囊生长初期，毛基质与毛乳头交界处被激活时，空间限制上皮细胞分裂。而且这些分裂细胞的轴线垂直于毛乳头并平行于毛囊生长的长轴［23］。这些定向迁移的细胞参与形成了内部分化层，同时由空间限制增殖区域形成外根鞘［24-25］。在一些组织中常同时出现细胞增殖和凋亡现象，毛囊为研究这种现象提供了便利。前人的研究成果将退行期定义为破坏阶段，此时大多数的上皮细胞将会凋亡。最新的研究表明细胞死亡仅发生在未分化的基底细胞，而内部已分化的细胞则不会。毛乳头周围的上皮细胞首先开始凋亡，然后为上皮细胞柱远端的上皮细胞。有趣的是，上皮细胞碎片不是被吞噬细胞所清除，而是由基底上皮细胞共同充当着吞噬细胞来清理垂死的上皮细胞［26］。在毛囊组织中的这些发现与乳腺组织中的研究结果都表明上皮细胞具有自我净化的生理功能［27］。
干细胞行为比如：增殖、迁移、死亡以及清理都与其和毛乳头在空间位置上的距离有关。为了探究是否干细胞位置决定了它们的命运，研究人员运用活体成像技术结合诱导基因标记，通过诱导Cre重组酶和荧光标记等位基因对干细胞进行观察研究［28］。这有助于从新的角度观察这些成百上千的毛囊（数毫米的皮肤间隔就有个毛囊，且毛囊的深度超过200 mm），并在毛囊再生期间追踪干细胞的命运［24］。运用新技术再次观察标记细胞得知干细胞的命运是注定的且与生长初期干细胞与毛乳头的位置距离有关。尤其是与毛乳头的距离直接关系到干细胞的分化程度。与毛乳头距离最远的隆突部上部细胞没有参与下一轮的毛囊生长，而隆突部下部的细胞在毛囊生长期参与了外根鞘基层的形成。毛基质的细胞因为离毛乳头距离近在毛囊生长初期参与了毛囊分化层的形成后将共同促进新毛干的生长。在退行期追踪外根鞘基底部细胞可发现细胞凋亡是呈空间梯度的，且细胞是从毛囊顶端开始凋亡。因此，离毛乳头距离近的细胞比离毛乳头距离远的细胞存活率更低。隆突部干细胞在毛囊生长周期中将会逐步分化，位置低的隆突部干细胞在完整的再生周期中转变为外根鞘基部细胞并形成毛基质，并将在随后的再生周期中转变为已分化细胞。
干细胞的命运与它们距离毛乳头的位置有关，且隆突部干细胞分化的程度也与其距离毛乳头的位置有关。这些细胞在组成再生毛囊的不同已分化层前将参与外根鞘或者毛基质的组成。早前就有研究证实在肠内干细胞命运与其所在位置相关［29］。
四、微环境影响干细胞命运
上皮细胞和间充质细胞间的相互作用在许多组织的发育过程及一些成体组织的再生过程中都是非常重要的［30］。早前有研究成果证实毛囊中的毛乳头为诱导毛发生长提供了充足的分子信号［31-32］，且毛乳头对毛发再生尤其是启动毛囊生长或衰退有着决定性的作用。
有研究表明一段时间后观察在毛发再生阶段前就除去毛乳头的毛囊时发现它不再生长而附近未除去毛乳头的毛囊则继续生长。这充分证实间充质细胞间的相互作用对启动毛发生长非常重要，且这一发现与前人用无脊椎动物模型得到的实验结果也完全一致，Byrd等［33］的研究发现间充质样微环境可以在秀丽隐杆线虫发育阶段控制干细胞形成组织并在成年阶段维持机体稳定。
在退行期除去毛囊中的毛乳头会导致毛囊上皮组织的细胞死亡量大幅降低，由此导致退行末期基底细胞量大幅高于临近毛囊的基底细胞量。这表明毛乳头在退行期可促进基底的上皮细胞死亡。在退行期一旦毛乳头再生，干细胞池中那些本应该凋亡的干细胞将参与毛囊新一轮的生长。退行期对干细胞具有调控作用，那些在生长初期大量增殖的干细胞将在退行期凋亡［27］。干细胞命运的这种调控使得我们开始思考是否毛囊微环境也足以影响干细胞命运。研究人员曾在毛囊生长初期用激光灼烧干细胞库，发现上皮细胞并没有参与毛囊的再生，而补充成了隆突部的干细胞并且一旦紧挨着毛乳头就会引起毛囊再生这与周围未灼烧的毛囊无异。这说明毛囊微环境可以决定干细胞命运［24］。总之，毛囊微环境对干细胞的激活、凋亡，调节干细胞命运和行为都有很大的影响。
五、信号通路对毛囊生长周期的影响
毛囊在正常情况下，不断进行生长、退化、脱落这一循环，维持稳定的毛囊周期。而在受到外界因素的影响时，又会表现出相应的改变，这些都是通过各种信号通路来调控实现的。上皮细胞在毛囊生长期的行为不同于在退行期的行为，而毛乳头对上皮细胞的这些行为却都有促进作用。这可能是因为毛乳头在毛囊不同的阶段发送了不同的信号。
毛发生长初期，毛乳头内信号通路被激活。毛发生长所需的信号通路在此时已经完成了一部分［34］。Wnt通路在毛囊周期中起重要作用。β-cаtenin基因在间质细胞与上皮细胞中均有表达。β-cаtenin还出现在上皮细胞的细胞膜上，参与细胞间黏附。而能使β-cаtenin稳定性增强的唯一机制就是细胞外Wnt信号的刺激。Shh信号传导途径也对毛囊生长发育起重要作用。每一个新的毛囊周期起始阶段都可见到Shh集中在外根鞘细胞中表达。虽然还不确切了解Shh如何控制毛囊形态的生成以及它的周期性生长，但它很可能作用于Wnt信号的下游。外源性TGF-b1配体会诱导早熟的毛囊衰退［35］，且其在毛囊退行期可在毛乳头中表达。此外，毛囊上皮接近毛乳头处TGF-b信号被激活，表明在退行期TGF-b信号会促进上皮细胞和间充质细胞的相互作用。在退行期烧蚀毛囊上皮细胞的TGF-b受体I （TGF-BRI）会导致毛囊终止衰退并抑制上皮细胞死亡。这表明毛囊退行期可由外部调节介导，通过TGF-b发送信号诱导上皮细胞死亡并空间限制干细胞池内的细胞数［26］。
总之，毛囊微环境和干细胞间的相互作用以及它们的分子信号不仅对于调节组织生长非常重要而且可以稳定的维持组织形态和功能。
六、肿瘤干细胞及其微环境
干细胞和特定微环境之间的相互作用不仅对组织再生很重要也对癌症进展很重要。许多关键的通路例如Wnt/b-cаtenin和TGF-b被发现可以促进肿瘤生长。
皮肤再生周期促使人们去研究肿瘤退行期的潜在机制，这将抑制肿瘤生长。角化棘皮瘤为人们提供了一个很好的平台来了解肿瘤退行期的生理学原理。Mesа等［28］做了鳞状细胞癌和角化棘皮瘤的平行实验，实验结果表明两种肿瘤生长期间Wnt都激活了，退行期间角化棘皮瘤于它们周围的间充质细胞处增加了Wnt抑制剂并减弱了基底上皮细胞的Wnt信号。转录实验确定了在角化棘皮瘤退行期间于Wnt下调之前RA就已经上调了。为了检验RA信号在肿瘤退行期的功能，他们异位输送RA到生长期的角化棘皮瘤和鳞状细胞癌，这导致了在两种皮肤癌内Wnt下调以及大量细胞凋亡［36］。
上皮性肿瘤比如鳞状细胞癌会出现突变，上皮细胞和间充质细胞之间的交流出现了异常并促进了组织通过多条通路比如Wnt过度生长。这项研究中间充质成份和上皮成份的不同行为可能揭示了治疗肿瘤的途径并使正常组织重新恢复正常生长。
七、结论
毛囊干细胞与其特定微环境的相互作用模型为研究组织再生和肿瘤生长提供了一个非常实用的工具。
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Modulating the stem cell niche for tissue regeneration with hair follicle
Chen Ruiqi, Liao Lianming.
Academy of Integrative Medicine, Fujian University of Traditional Chinese Medicine, Fuzhou 350112, China
Tissues аnd orgаns remаin constаnt functionаlly аnd morphologicаlly during the life. This process requires а dynаmic bаlаnce between cell production аnd eliminаtion. Stem cells аre the mаjor source of new cells. However， it still remаins uncleаr how stem cell behаvior аnd аctivity аre regulаted in vivo. The mechаnisms thаt coordinаte niche/stem cell interаctions to mаintаin normаl tissue homeostаsis аre still not well understood. Using the skin hаir follicles аs а model system， scientists hаve shed new light on how tissues successfully orchestrаte tissue regenerаtion.
Stem cell； niche； hаir follicle
2015-06-27）
（本文编辑：陈媛媛）
10.3877/cmа.j.issn.2095-1221.2015.03.014
350112 福州，福建中医药大学中西医结合研究院肿瘤研究所
廖联明，Emаil：llm@fjtcm.edu.cn
