毛囊干细胞的基础研究及修复膀胱损伤的应用现状

夏力哈尔·阿勒塔依，乔炳璋，拜合提亚尔·阿合买提江，凯赛尔·阿吉，木拉提·热夏提

(新疆医科大学第一附属医院泌尿中心，新疆 830011)

毛囊干细胞(hair follicle stem cells，HFSC)是一种生长于毛囊并具有慢周期性和高度分化特性的细胞，可分裂增殖产生人体所需的各种细胞，当机体细胞因各种原因损伤而缺失时，它可分化补充缺失的细胞。如今，HFSC在泌尿、皮肤、胃肠道等领域的研究取得了不错的进展，可被诱导分化为所需的目的细胞，用来修复泌尿道、皮肤、胃肠道等的损伤性疾病。

1 HFSC的特征及分化能力

1.1 毛囊毛囊是由围绕发根的囊状组织形成的凹陷皮肤,是皮肤的微小附件，结构复杂，其形态变化、再生和生长周期都由上皮和真皮之间的相互作用产生,毛囊和相邻的皮脂腺、汗腺和毛状体构成了毛囊皮脂腺单元,其中包含上皮和真皮结构、内根鞘、外根鞘和毛发基质为上皮结构，真皮结构包括真皮乳头和真皮鞘[1]。

1.2 HFSC的生长位置HFSC的生长位置一直是研究者讨论的热点。1990年，CATSARELIS等[2]使用[3H]-T标记法发现，在小鼠皮肤，睫毛和触角的毛囊隆突区域发现了干细胞，而在其他部位均未发现，说明HFSC的生长位置为毛囊的隆突部位。但是，不同物种不同部位的HFSC生长位置也不尽相同，如在手和脚，HFSC存在于表皮脊的顶部以及附着在直立毛发上的毛囊隆起区域[3]。

1.3 HFSC的鉴别通常使用CD34分子、整合素、角蛋白等表面标记物来鉴别HFSC，这些标志物存在于细胞质或细胞核。TREMPUS等[4]首次发现CD34分子可用作小鼠HFSC的特定表面标记。整合素-α6可出现在外根鞘的隆突上部,也可出现在毛囊基底膜中，整合素家族一般和其他标记物共同来鉴别HFSC。角蛋白包括：K4、K14、K15、K19等。CHEN等[5]实验研究发现皮肤鳞状细胞癌中K19出现高表达，这表明K19可作为HFSC的标志物，并且用于皮肤癌的临床诊断

1.4 HFSC的分化能力及其在临床上的应用HONG等[6]为测试HFSC是否可以分化为平滑肌细胞，将其放入诱导液中进行诱导培养，结果大部分HFSC被诱导为具有平滑肌特征的细胞，并可检测到平滑肌细胞表面标记物CNN3和DE。这一研究结果可为修复膀胱缺损的组织工程膀胱带来种子细胞。在今后的研究中可以将HFSC诱导分化为膀胱尿路上皮细胞和平滑肌细胞，植入体内，观察是否能对缺损性膀胱进行修复。

随后的研究中发现，HFSC的分化能力超乎想象，它不仅能分化为平滑肌细胞，在特殊处理下还能够分化为其他各类成体干细胞。临床上也开始运用HFSC来治疗相关疾病。ALAM等[7]将HFSC移植到不同的2种愈合困难的溃疡创面皮肤中，2周后发现创面周围长出了新的皮肤，创面出现了愈合，并被治愈。美国学者将HFSC分化为黑素细胞，将黑素细胞注入患者体内，实现人工皮肤的替代物，治愈了皮肤色素缺失的患者。虽然HFSC被成功分化为神经细胞、肝细胞、血管内皮细胞等，但除了治愈皮肤病之外，目前还未有关于治愈其他器官功能性疾病的临床案例。

1.5 HFSC的基因调控HFSC的基因调控过程相当复杂，目前所知参与HFSC最主要的基因信号通路包括Wnt/β-连环蛋白、BMP、Shh及Notch等[8]。Wnt信号通路一般处于静止状态，当微环境改变，如发生皮肤损伤时，Wnt基因表达的新Wnt蛋白激活隆突处的HFSC以修复损伤，在皮肤的重度烧伤和深度溃疡时表现尤为明显[9]。Wnt/β-连环蛋白信号通路是毛发再生的主要途径，在毛发再生中首先被激活[10]。Wnt10b的过表达可将毛囊从静止阶段加速到头发生长阶段[11]。实验证明，Wnt/β-连环蛋白信号是毛发生长的诱导因子[12]。Wnt和β-连环蛋白在毛发的生长过程中会有相互作用，缺失β-连环蛋白可选择性的抑制Wnt信号通络。近年来研究者发现一种启动子TPA(12-O-Tetradecanoylphorbol-13-acetate)，可影响毛发的周期性生长[13]。TPA可通过激活Wnt/β-连环蛋白信号通路来促进毛发的再生。抑制Wnt信号通路时，HFSC能够分化为皮脂腺细胞和角质形成细胞[14]。有报道称，Wnt5a可抑制β-连环蛋白信号的激活[15]。BMP信号能够调节发干和内发根鞘的终末分化，也可以维持干细胞的慢循环特征。BMP信号主要是控制毛囊上部的干细胞。Shh是HFSC的第2信号通路，当毛囊向下生长时，Shh离开隆突部，标志着干细胞进入休眠状态。Notch是调节HFSC的重要信号分子，细胞通过Notch促进受体与其配体结合，并根据微环境信号的变化调节Notch信号，实现干细胞的增殖分化[16]。从HFSC基因调控中我们得知，HFSC的分化是由其基因的调控所决定，由于HFSC基因调控的过程相当复杂。笔者认为在今后的研究中加大和深入对基因调控的认识，对信号通路进行实验性的干扰，使HFSC能够迅速生长和精准分化，为将来膀胱组织工程的发展带来希望。

2 HFSC与膀胱损伤的修复

2.1 膀胱的解剖结构和组织学特征膀胱是一个构造复杂的中空器官，它由尿路上皮细胞、平滑肌细胞以及一些血管和神经网络等组成，它们之间相互作用为膀胱提供了正常的功能。膀胱壁固有层由在其上布满的血管和神经支配，功能性膀胱由3个提供协调排尿的平滑肌层组成。膀胱被一层结缔组织外膜覆盖，便于保护膀胱壁、血管和神经。膀胱独特的解剖结构对组织工程膀胱提出了较高的要求，例如：①组织工程膀胱应具有泌尿学动力系统；②植入后的膀胱要有足够的血管前状态或扩散血管的能力，以避免移植物的坏死；③移植物要有神经支配，具有产生和接收信号传导的能力等[17]。

2.2 组织工程学之外膀胱修复重建的材料与方式目前，终末期膀胱疾病的治疗金标准是小肠膀胱成形术，这是一种利用肠道组织扩大膀胱的外科手术，尽管肠膀胱成形术提供了功能上的改善，但仍然会产生不同的并发症，如反复的尿路感染、代谢异常、结石形成和恶性肿瘤等[18]。

早期研究中，有研究人员使用类似膀胱形态的塑料模具作为膀胱重建的替代品，这些新膀胱主要由纤维组织组成，无有功能性的组织再生，可导致各种并发症发生[19-20]。TSUJI等[21]用明胶海绵对膀胱缺损患者进行了膀胱重建,给组织提供了更舒适的生长微环境，移植后膀胱容量有改善，但后期出现了严重的尿失禁。人类膀胱扩大术的部分成功报道是使用甲醛保存的狗膀胱作为患者次全或根治性膀胱切除术后组织生长的临时支架，假性膀胱虽然构建时间相对较短内，但随着时间的推移容量逐渐减少，患者会经常出现尿失禁、膀胱输尿管返流等症状[22]。

2.3 组织工程技术用于膀胱修复重建膀胱修复重建是泌尿外科医生面临的一大挑战。组织工程技术的发展是膀胱修复重建的全系治疗选择，动物实验和临床应用结果较好。使用脱细胞支架和细胞支架是组织工程进行组织或器官再生的主要方法。脱细胞支架包括天然或合成的生物材料，能够为患者自身细胞的生长提供支持，刺激体内自发生成细胞。细胞支架方法涉及生物材料和患者的自体细胞，需在体外创造新组织，并将其重新植入患者体内，完成体内的再生过程。

目前，在动物模型中已经使用了许多类型的干细胞和成体细胞来修复或再生组织，干细胞包括胚胎干细胞，诱导性多能干细胞、间充质干细胞、脂肪干细胞、羊水干细胞等[23]。但是这些干细胞取材不易，并且牵扯到伦理问题，故受到了许多的应用限制。成体细胞包括膀胱平滑肌细胞、膀胱尿路细胞、阴茎包皮表皮细胞、口腔角质细胞等，但这些成熟的体细胞体外扩增能力差、培养时间长，在运用上受到了限制[24]。

2.4 HFSC用于膀胱修复重建研究表明，HFSC容易获得，具有高附加值和多能性，是再生医学中最好的干细胞来源之一。许多研究也证实了HFSC在膀胱再生中的作用[25]。HFSC可以分化成一系列的细胞类型，具有持续自我更新的特性，以取代正在经历凋亡的老化细胞[26-27]。故将HFSC用于临床治疗膀胱损伤性疾病成为可能。

运用HFSC修复膀胱缺损的机制是把从体内获得的组织通过特殊的酶处理后，将种子细胞分离并进行体外培养扩增，再使扩增的细胞与生物支架材料按一定比例融合，使细胞能够很好的粘附在生物材料上，形成细胞-材料复合体，然后将复合物植入体内组织或器官的受损部位，体内的生物材料会逐渐降解和吸收，植入的细胞继续在体内增殖，最终形成相应的组织或器官[28-29]。这些支架材料可以是天然的，也可以是合成的，支架植入体内后可激发机体的自我修复能力，而且能够引导生成新组织的生长位置。

近年来，膀胱脱细胞基质在各种实验中显示出了其优于其他生物材料的特性，成为一种理想的生物支架材料[30-31]。接种细胞的同种异体脱细胞膀胱基质已用于狗的膀胱扩大，再生的膀胱组织中含有尿道上皮组织和平滑肌细胞等正常的组织或细胞，具有良好的相容性[32]。研究发现装入细胞的支架要比未装入细胞的支架组织再生能力更强，随着研究的持续深入，这些基质可能在膀胱替代方面有重要的临床作用价值。

3 总 结

在过去的20年里，从简单的细胞、生物材料到更复杂的方法，膀胱组织工程领域发生了巨大的变化，尽管研究者仍在不断进行研究，但膀胱功能的改善尚未实现。虽然HFSC有助于缓解许多组织工程的限制，但由于缺乏对其生物学特点的进一步认识，使得它们在该领域的应用受到了不同程度地限制。膀胱组织工程需要多学科方法相互配合才能取得成功。膀胱复杂的解剖结构需要一个多因素的微环境，使得有必要进行更多的研究。虽然HFSC给诊疗膀胱损伤性疾病带来种子细胞与理论基础，但是临床诊疗效果还需进一步探究。笔者希望在今后的研究中能够进一步理清HFSC的各种特性以及调控机制，为今后临床一线的诊疗提供坚实的理论依据。