表皮干细胞的生物学特性及其潜在应用

刘雪婷 白春雨 关伟军 马月辉

（1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京 100193；2.东北林业大学野生动物资源学院，哈尔滨 150040）

表皮干细胞的生物学特性及其潜在应用

刘雪婷 白春雨 关伟军 马月辉

（1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京 100193；2.东北林业大学野生动物资源学院，哈尔滨 150040）

表皮是维持生命及保障各个组织器官发挥功能的重要屏障，而表皮干细胞能够分化为皮肤各层组织，从而使表皮始终处于持续不断的增殖、分化、凋亡的状态，在维持表皮平衡，表皮损伤后修复的过程中发挥重要的作用。随着细胞生物学的飞速的发展，人们越发认识到表皮干细胞的重要性，使其成为人们目前的研究热点之一。针对表皮干细胞研究进展，着重叙述了表皮干细胞的分类、定位、特征、功能以及应用前景，旨为相关研究者对表皮干细胞生物学特性及应用有更全面的认识。

表皮干细胞；分类；定位；特征；功能；应用前景

表皮是维持生命及保障各个组织器官发挥功能的重要屏障。表皮细胞和其他细胞一样，在整个生命过程中也会经历细胞的增殖、衰老、凋亡等过程［1］。所以表皮细胞需要不断增殖和分化，以此平衡表皮细胞的数量和功能。在此过程中，表皮干细胞（Epidermal stem cells，ESCs）发挥着重要的作用，由此逐渐被人们所关注，成为研究的热点。ESCs不仅能维持上皮的平衡和再生，同时对损伤上皮的修复也有巨大的贡献［2］。本文针对表皮干细胞研究进展，着重叙述了表皮干细胞的分类、定位、特征、功能以及应用前景，旨为相关研究者对表皮干细胞生物学特性及应用有更全面的认识。

1 表皮干细胞的分类及定位

在正常表皮组织中，表皮干细胞分布于特定位置。如表皮的基底、毛囊、毛囊间、皮脂腺［3］，这些干细胞主要发挥维持组织稳定和修复皮肤创伤等作用。因此，有人把表皮干细胞分为基底干细胞、毛囊干细胞、毛囊间干细胞及皮脂腺前体细胞［4］。在动物模型中，人们发现成长中老鼠的上皮处于不断更新的状态，尤其是其毛囊细胞，处于一个生长、衰老、静息的状态。这种不断的变化使人们对上皮干细胞定位的研究变得更加复杂［5］。目前，人们对毛囊间干细胞和毛囊内干细胞研究的相对较广。

1.1 毛囊间干细胞

我们都知道，上皮细胞的增殖和自我更新主要发生于皮肤的基底层。正常情况下，基底层细胞的增殖分裂是不需要其他附属物，如毛囊的协助的，其具有自我增殖能力［6］。整个生命过程中，都有上皮细胞的不断更新，所以人们假设，在上皮的基底层存在一部分干细胞。有学者提出类似的模型，认为基底层的干细胞通过短暂的增殖，增殖后的细胞具有定向分化成某种终末分化细胞的能力，这些细胞通过几次或者几十次的增殖分裂，最终形成了表皮中其他类型的组织细胞［7，8］。根据这个模型，每一个上皮细胞都可以产生一个子上皮细胞，人们把这种干细胞称为上皮增殖单位（Epidermal proliferative unit，EPU）。每一个EPU在都会有不同的终端分化，皮肤的每一层细胞均是以一个EPU为中心，然后向周围逐渐分化增殖形成的。同时，在鼠皮肤模型的研究中，通过使用逆转录病毒感染基底部位的细胞，发现一些表皮细胞来源于基底膜处［9］。此外，脉冲标签的研究也证明了基底膜处确实存在表皮干细胞。

然而，Clayton等［10-12］通过实验发现，有些细胞并不是完全遵循EPU模型。其发现基底部的一些细胞，有些并没有分化增殖而只是数目上的不断增加，于是其用数学分析的方法，提出了定向祖细胞（Committed progenitor，CP）模型。有些上皮干细胞能够定向分裂出两种新的基底细胞，同样也能随机分裂出两种不同类型的定向基底细胞。毛囊间干细胞的分裂模式究竟是CP模型还是EPU 模型，目前还存在争议。但近期的研究表明，两种模型可能同时存在于毛囊干细胞的增殖过程。此外，体外培养人角质细胞时发现β 1-integrin 阳性的细胞具有很高的增殖潜能，并且这类细胞主要分布于基底层。因此有学者认为β 1-integrin可以作为毛囊间干细胞的标记物之一。但是，β 1-integrin的表达水平与表皮干细胞的直接关系尚未明确，还需进一步验证［13］。

1.2 毛囊干细胞

目前针对干细胞的研究中，面临的一个挑战是能否找到特殊的干细胞表面分子，从而确定干细胞的种类和定位。Cotsarelis等［14］首先在毛囊的隆突部发现了毛囊干细胞。毛囊是哺乳动物重要的皮肤附属结构，在此之前，人们一直认为包囊中所产生的细胞全部为基质细胞。但是随着研究的深入，人们发现当把毛囊中的基质细胞全部杀死后，毛囊还是可以从外根鞘中重新长出。此后，Ito等［15］用遗传跟踪的方法发现毛囊中的一类细胞不仅能促进毛囊增殖-凋亡的循环过程，而且能够协助表皮的生长，帮助损伤再修复。Quan等［16］把大鼠的毛囊进行体外培养发现，体外培养的克隆中，95%的克隆细胞来源于隆突。由此，越来越多的人认为毛囊中的干细胞发挥着重要的作用，所以人们通常把位于隆突部分的干细胞称为毛囊干细胞。并且人们在毛囊干细胞表面发现了一些特有的表面分子，如角蛋白15（Krt 15 为大部分隆突干细胞的表面分子，表达这类分子的隆突干细胞具有协助毛囊和表皮生长的功能）、Lgr5（主要促进毛囊的生长）、CD34、Sox9、Lhx2、Tcf3及Nfatc等［17］。

1.3 其他部位的表皮干细胞

此外，在皮脂腺，汗腺等部位也有表皮干细胞的存在。利用逆转录病毒追踪技术发现，在皮脂腺内有些细胞可以被标记。Horsely等［18］的研究表明，在皮脂腺的基底层存在一群BLIMP1阳性表达的细胞，并且证明这群BLIP1+细胞可以分化为皮脂腺中所有类型的细胞。在近期的研究中，Plikus等［17］在汗腺中也发现了表皮干细胞，这些干细胞能协助汗腺导管的产生和修复。

2 表皮干细胞的特征和功能

表皮干细胞属于未分化的干细胞，具有干细胞特性。表皮细胞通常处于静息的状态，表现为细胞核大，细胞体积小，细胞器较少，细胞内RNA含量低，核浆比例大［19］。但是，当表皮干细胞被激活后，不仅能维持表皮数量上的平衡，还能协助损伤的修复。所以，表皮干细胞还具有比较明显的两大特征，即自我更新能力和多向分化潜能，也正是这种特征，决定了表皮干细胞的功能。

2.1 表皮干细胞能长期维持表皮细胞的更新

维持表皮细胞的自我更新是表皮干细胞最基本的能力，在哺乳动物中表皮细胞经历着增殖、衰老、死亡的过程。在此过程中，表皮细胞不断的更新分化，来维持表皮的平衡。由于表皮干细胞通常处于静息状态，因此体内观察干细胞分裂在技术上难以实现。其自我更新的证据主要来源于体外观察。有实验通过把表皮细胞在体外培养发现，在体外其具有增殖的能力［20］。体内研究表明，利用同位素标记的胸腺嘧啶与肿瘤促进剂TPA结合，观察到标记的细胞能在体内进行有丝分裂，同时，随着时间的延长，基底部的同位素标记的含量逐渐减少，这在一定程度上证明了表皮干细胞在体内能够进行自我更新［21］。

2.2 表皮干细胞能协助损伤的修复

随着生物学研究的不断加快，人们对表皮干细胞修复损伤组织的应用潜能越来越重视。Argyris［22］首先在老鼠和兔子身上证明了毛囊对上皮损伤后的修复有重要的作用。随后，在Ito等［15］的实验中提出，有一部分表皮干细胞的主要作用是在损伤后发挥作用的，这类干细胞主要集中在毛囊的隆突部。在损伤的急性期，首先是隆突的表皮干细胞被募集过来进行修复，并且越来越多的实验研究都证明了这一点。在损伤的初期，Taylor［23］用双脉冲标记的方法证明，在损伤后隆突部的干细胞能够分化成漏斗状的表皮细胞，并且这个实验随后也被多个实验室进一步重复和验证。近期，有学者的研究表明，表达Krt15的隆突中的表皮干细胞在损伤的初期是首先被激活的。而损伤的5 d后，隆突干细胞产生分化的细胞便会特异的从毛囊向损伤的中心迁移。损伤20 d后，Krt15阳性干细胞的分化便会变得非常稀少，而到了损伤后的第50天，损伤的周围基本上就观察不到隆突干细胞分化成的子细胞了。然后，在长期的过程中，对损伤修复有促进作用的主要是一些隆突部位之外的其他干细胞。Levy等［24］首先证明了此观点，其把Shh-Cre基因标记上标签，然后通过病毒的方法逆转录到所有的毛囊上皮中。通过这种方法，发现表达R26R的细胞在损伤的修复中能够持续的、长时间的产生克隆增殖，进而修复损伤组织。以上结果表明，除了Krt15阳性的表皮干细胞，其余表皮干细胞都能在组织损伤的后期修复中发挥作用。如近期，有学者发现，在毛囊的峡部以及毛囊的交界区，也存在一类表达Gli1、Lgr6、Lgr1的干细胞，其也能转化成其他毛囊间干细胞，协助表皮损伤的修复［25］。

3 表皮干细胞的应用

目前人们对表皮干细胞的研究取得了很大的突破，表皮干细胞的应用也是当今研究的热点。人们在了解表皮干细胞的生物学特性之外，其在表皮病理性脱落，损伤后人工修复，表皮移植，肿瘤和炎症反应中都有广阔的前景［26］。在大面积烧伤，广泛的瘢痕切除的手术中，由于损伤过大，靠自身的创面难以实现皮肤的再生，此时则需要足够的皮肤替代物进行修复，由于考虑到免疫排斥等炎症反应，自身表皮干细胞的培养与移植就显的非常重要［27］。目前，表皮干细胞培养后如何使干细胞定向分化，依旧是学术界的一个难题。同时，有学者认为皮肤癌的发生可能会与表皮干细胞的某些特性有关，且认为皮肤癌的发生与表皮干细胞的异常分化有很大的关系。

4 总结

近年来干细胞生物学的快速发展让我们对表皮干细胞的生物学特性及应用有了一个更全面的认识。虽然表皮干细胞有很好的应用前景，但是在研究的过程中，仍然出现了许多新的问题，如如何更好地区分毛囊间干细胞的分群及功能，更好地区分不同干细胞的表面特有分子，以及在创伤再修复的过程中毛囊干细胞早期招募和修复的机制等。这些问题毫无疑问将会成为表皮干细胞今后研究的热点，使表皮干细胞其更进一步的应用于临床。

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（责任编辑狄艳红）

The Biological Characteristics and Potential Applications of Epidermal Stem Cells

LIU Xue-ting BAI Chun-yu GUAN Wei-jun MA Yue-hui
（1.Institute of Animal Sciences，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100193；2.College of Wildlife Resources，Northeast Forestry University，Harbin 150040）

The epidermis is a crucial barrier for people to sustain life and maintain our organs in their functions. Epidermal stem cells（ESCs）play an important role in the process of maintaining epidermis balance and repairing the damaged ones， as they can differentiate into the layers of skin tissue， so that the epidermis is always in the state of continuous proliferation， differentiation and apoptosis. With the rapid development of cell biology， people growingly realize the vital role of ESCs. In this paper， research progress of epidermal stem cells， with the emphasis on the classification of epidermal stem cells， orientation， characteristics， functions and application prospect， purport for related researchers of epidermal stem cells biological characteristics and application have more comprehensive understanding.

epidermal stem cells；classification；positioning；feature；function；application prospect

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.01.006

2015-04-26

刘雪婷，女，硕士，研究方向：动物细胞生物学；E-mail：1066379629@qq.com

关伟军，男，博士后，博士生导师，研究方向：动物遗传资源；E-mail：weijunguan301@gmail.com马月辉，男，博士，研究方向：动物遗传学；E-mail：yuehui_ma@hotmail.com