表皮干细胞研究进展

李彬彬 孙培鸣 孙宏伟 崔 彦

皮肤是人体最大的器官，主要功能为阻止外界有害物质的入侵，同时具有调节机体温度、感觉、保湿等作用。在皮肤表皮中存在多种干细胞，其中表皮干细胞(epidermal stem cells，EpSCs)在表皮形成、表皮组织结构稳定和皮肤创伤愈合及各种皮肤疾病发生、发展过程中发挥重要作用。EpSCs是表皮多种细胞的来源，位于表皮的基底、毛囊和皮脂腺等特定位置，可分化为皮肤表层各层组织，使表皮始终处于连续的增殖、分化、凋亡的状态。若表皮干细胞增殖与凋亡的平衡遭到破坏，则可导致多种皮肤疾病包括肿瘤的发生[1，2]。因此，EpSCs的基础研究对于阐述各种皮肤疾病的病理机制乃至临床诊疗都具有重要意义。本文就EpSCs的特性、信号调节、在创伤愈合过程和抗衰老中的作用以及与皮肤癌的关系做一综述。

一、表皮干细胞的特性

EpSCs是多种表皮细胞的祖细胞，拥有自我更新能力和分化潜能，一旦遇到各种刺激因素，可增殖分化形成具有不同功能的细胞。EpSCs来源于胚胎的神经外胚层，具有双向分化能力，一方面可向上迁移，EpSCs从壁龛中移出，到达最外层，形成棘细胞的中间产物，最后到达表皮的最外层，分化成为各种表皮细胞，取代脱落的表皮和毛发；另一方面可向下迁移，分化形成表皮的基层，从而产生毛囊[3]。另外，EpSCs可通过不对称的方式产生两种子代细胞，其一仍然维持EpSCs的特性，另一种类型的子细胞则在没有细胞分裂的情况下进行分化，这两种子代细胞在维持表皮稳态方面均发挥重要作用[4]。

EpSCs在体内的自我更新能力相当强大，在体外培养亦具有140多次传代的潜能。根据EpSCs增殖潜能而将其分为3种克隆形态：①具有高度增殖能力的全克隆；②增殖能力相对弱的部分克隆；③终末分化的类克隆。这3种类型EpSCs的增殖潜能依次降低，而分化程度则依次增加。全克隆EpSCs主要由干细胞组成，形态尚未成熟，增殖潜力最大，可高度表达β1、β6整合素、K19、K15、CD71等，这些分子可作为显示干细胞特性包括静止和增殖能力的标志[2]。

EpSCs包含几种不同的细胞类型，包括滤泡间表皮干细胞、毛囊干细胞和皮脂腺干细胞等。滤泡间表皮干细胞均匀分布于基层，形成功能独立的隔室，即表皮增生单位(epidermal proliferative unit，EPU)，而每个EPU的结构由一个被短暂扩增细胞包围的中央干细胞组成[1～3]。XVⅡ型胶原(COL17)是位于表皮基膜带的跨膜蛋白，具有调节滤泡间表皮细胞的增殖的作用，与皮肤屏障功能、增生、肥厚、衰老等密切相关；滤泡间表皮干细胞的生物学标志物尚未明确，需要进一步研究[5]。在组织稳态的过程中，毛囊干细胞具有独特的生物学功能，虽然不参与表皮细胞的形成，但在特殊情况下，它可以表现出多能干细胞的特性，并且参与伤口的再上皮化。每个毛囊都经历3个连续的周期性变化阶段，即生长阶段(生长期)、过渡阶段(生长中期)和休眠期(生长末期)，而位于毛囊凸起处的干细胞具有自我更新的能力。毛囊干细胞有许多种标志物，包括阳性标志物CK15、CK19、p63和CD200等，以及阴性标志物CD34和联接蛋白4(connexin 4)等，这些标志物有助于鉴别毛囊干细胞[1,6]。

在皮肤创面愈合过程中，EpSCs不仅具有慢周期性、自我更新能力，还具有对基膜的黏附特性。EpSCs对基膜的黏附特性是干细胞维持其特性的基本条件之一，并且干细胞脱离基膜的黏附是诱导其进入分化周期的重要调控机制。有研究EpSCs对Ⅳ胶原黏附特性的影响，取贴壁后10、20、30、60min的EpSCs培养，发现EpSCs的贴壁数量随时间延长而逐渐增多，βl整合素阳性率的表达量可达100%，说明Ⅳ型胶原有利于干细胞的贴附及生长[7]。

随着对EpSCs自我更新和分化潜能的深入研究以及EpSCs技术的转化应用，将会进一步提升对EpSCs特性的全面认识。

二、表皮干细胞的信号调节

研究证实，一些信号通路在维持表皮干细胞的稳态、增殖和分化过程中发挥重要作用。Wnt/β-catenin信号通路对EpSCs发育、毛囊形态形成和组织稳态过程发挥调控作用[8]。杨荣华等[9]观察Notch信号通路对EpSCs增殖和分化的影响，结果表明，激活Notch信号通路能促进EpSC增殖并维持低分化状态，而抑制Notch信号通路则能促进表皮干细胞向表皮细胞分化。李冰等[10]研究发现，激活的细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)进入细胞核内，作用于多种转录因子进而参与某些基因的转录与表达，影响细胞的增值与分化，说明ERK通路在EpSCs的增殖与分化中发挥重要的作用，这为EpSCs的靶向诱导提供了一定的理论基础。

长期暴露于紫外线会对皮肤造成损伤。研究证实，众多信号调节介导了紫外线对皮肤的损伤效应。Netrin-1蛋白作为netrins家族成员，在紫外线B(ultraviolet-B，UV-B)辐射下，具有调节EpSCs功能的作用，能减轻UV-B辐射诱导的氧化应激过程，还可通过增加线粒体膜电位水平和三磷酸腺苷(ATP)的生成，进一步调节UV-B辐射诱导的线粒体功能障碍和乳酸脱氢酶释放，从而改善细胞的功能，这些变化与Wnt/β-catenin信号通路有关[11]。Wang等[12]研究发现，S14G-humanin(HNG)作为线粒体衍生肽家族中重要成员，具有抑制UV-B辐射诱导的活性氧生成、增强氧化谷胱甘肽表达的作用；通过增加HNG可减弱UV-B辐射诱导的线粒体膜电位，表明HNG能够改善Wnt/β-catenin相关通路蛋白表达。Chang等[13]研究TGR5(takeda G-protein-coupled receptor-5)对EpSCs紫外线B辐射的保护作用，发现UV-B辐射后TGR5表达下降，加入其激动剂3-(2-氯苯基)- N-(4-氯苯基)-N,5-二甲基异恶唑-4-羧酰胺(GPBARA)后，通过降低4-羟基-2-壬烯醛(4-hydroxy-2-nonenal)和增加谷胱甘肽水平从而抑制UV-B辐射诱导的氧化应激反应；GPBARA还可以通过提高线粒体膜电位，改善UV-B辐射诱导的线粒体功能障碍；使用GPBARA提前处理细胞，能够抑制UV-B辐射诱导的细胞活力、LDH释放和高迁移率组box 1分泌，GPBARA预处理还能减轻紫外线辐射诱导的整合素β1和Krt 19下降水平。

研究表明，转录因子包括p16INK4a、Myc和p63等与染色质重构因子相互作用对表皮干细胞的分化和增殖具有一定的调节作用。p16INK4a作为一种周期调控蛋白，能抑制细胞周期G1/S转换，在调节EpSCs自我更新过程中发挥调节作用，该调控功能失调可能与皮肤衰老或肿瘤发生有关。组蛋白修饰已成为表皮分化的表观遗传调控因子，Myc可通过诱导与修饰活化染色质状态相关的组蛋白来调控从静止干细胞到TA细胞的转变。Myc活化不仅能促进EpSCs的增殖，还能促进滤泡间上皮细胞和皮脂腺细胞的分化[9,14]。除转录因子外，miRNA和lncRNA在表皮干细胞的增殖和分化中也发挥一定的调节作用。另有一些分子如GATA3、SSEA-4、CLC和RUNX1等亦与EpSCs增殖、分化调控有关[14,15]。

EpSCs的信号调节，既是EpSCs发挥各种潜能的内在机制，也是全面认识EpSCs特性和发掘EpSCs转化应用的关键环节，有待于深入探讨。

三、表皮干细胞在创面愈合过程中的作用

皮肤及其附属器官为机体适应生存环境提供了许多关键功能。皮肤由中胚层起源的下层真皮和外胚层起源的上层表皮组成，其中表皮是一种分层的上皮细胞，由增殖细胞的内基层和分化后的基层组成，一些基底细胞通过不对称分裂，从细胞周期中退出并从基膜中脱离，进入细胞的终末分化阶段[1,16]。

皮肤损伤修复是一个复杂的动态过程，可分为3个阶段，即炎症、组织形成及组织重构。该过程在损伤后即启动，涉及多种细胞和多种因子以及细胞基质的相互作用。另外，皮肤的更新包括皮肤的补充、角化和老化皮肤的脱落、毛发的生成和损伤后的组织修复等过程[3,17]。

EpSCs在皮肤创伤愈合过程中具有独特作用，通过免疫调节、表皮再生、血管再生和胶原沉积等作用于伤口愈合全过程。促进创面愈合的干细胞可作为细胞来源，这些细胞不仅可以再生丢失的组织，还可以通过旁分泌的方式促进伤口愈合[3,17]。

毛囊干细胞位于隆突部，是神经末梢和毛细血管汇集的地方，这为其维持自身稳定提供了良好的微环境，并接受信号转导调控自身的增殖与分化。皮脂腺干细胞分化产生皮脂腺细胞，滤泡间表皮干细胞形成表皮最外的屏障层。这些细胞在皮肤损伤修复方面起着重要作用，包括炎性反应、新生血管化、组织重塑、再上皮化等。毛囊干细胞群和滤泡间表皮干细胞群可以产生角化细胞，进而演化为创面再上皮化的细胞[7]。

EpSCs分泌的细胞因子具有特殊的生物活性特征，可促进细胞分化增殖，诱导趋化炎性细胞，并调节细胞的分裂、迁移，进而影响创面愈合。这类细胞因子在一定程度上能抑制成纤维细胞生长，使胶原纤维合成减少从而达到减少瘢痕形成的作用；另一方面，若伤口愈合过程受到不良因素影响则会导致肉芽组织过度生成，最终导致增生性瘢痕的形成[3,16]。微囊蛋白1(caveolin-1)是胞膜上的一种整合膜蛋白，在保持caveolae的完整性、小胞运输以及信号转导中起到重要作用。Yang等[18]研究caveolin-1在大鼠烧伤创面愈合过程中对表皮干细胞的作用，发现过表达caveolin-1的EpSCs能明显促进伤口的再上皮化，增强细胞构成，促进脉管系统形成，并增加伤口评分；同时探讨姜黄素对EpSCs调控创面愈合的作用及分子机制，发现姜黄素不仅能促进EpSCs增殖、脉管系统形成，还能提升caveolin-1表达[19]。聂刚等[20]探讨高浓度葡萄糖对小鼠EpSCs增殖的影响，研究结果表明，高浓度葡萄糖可明显抑制小鼠EpSCs的增殖，进一步阐明了糖尿病创面难愈的干细胞相关机制。Tang等[21]研究发现，急性缺氧可诱导EpSCs从静止状态转变为活化状态，并明显增强细胞活力和运动性，促使EpSCs增殖高峰提前出现；外源性羟化酶抑制剂FG-4592能稳定缺氧诱导因子1，提升EpSCs增殖水平及活性，加速伤口愈合，为皮肤创面愈合的靶向治疗提供了新的理论基础。

随着创伤研究和转化医学的发展，EpSCs在创面愈合过程中的作用机制研究及转化应用将会迅速延伸并发挥越来越重要的作用。

四、表皮干细胞与皮肤癌的关系

EpSCs的增殖和分化受多种因素的调节，其中组蛋白修饰、DNA修饰和非编码RNA在内的动态表观遗传网络在调控EpSCs的稳态性和可塑性方面起着重要作用。特殊环节发生变化，将会导致皮肤疾病甚至皮肤癌的发生。有研究表明，表皮生长因子受体的结构性激活与表皮乳头状瘤及鳞状细胞癌的发生、发展有关。Chen等[22]研究抑癌基因Pten在EpSCs中的作用，发现Pten基因发生缺失则会导致Akt/β-catenin信号转导通路异常，与皮肤鳞状细胞癌发生有关。基底细胞癌可以由多种干细胞群产生，包括隆凸的干细胞和滤泡间干细胞，其间演化与致癌信号和Hh/Gli驱动的皮肤肿瘤表型有关。组织干细胞进行再生和创面愈合修复的细胞程序，会被肿瘤细胞“劫持”。当应激反应转录因子水平升高，干细胞谱系稳定性遭到破坏，癌基因被激活，就会诱发肿瘤生成[23]。一系列研究表明，在众多不良因素的影响下，EpSCs可演变为皮肤癌。尽管机制复杂而需深入研究，但避免内外环境因素对EpSCs的不良影响是维护干细胞健康分化和预防皮肤癌的关键。

五、表皮干细胞与抗衰老和美容

衰老是一种与基因相关的受内外因综合性因素影响的疾病。在人的生命周期中，细胞逐渐衰老，直至死亡又被新的细胞取代，在这种更替过程中，干细胞在维持机体稳态、保证组织器官的修复和再生中发挥着举足轻重的作用。衰老与干细胞的数量下降导致修复功能衰退有关。衰老不可避免，但可以不同程度的延缓。干细胞对颜面美容和皮肤防老化过程的作用[24]。徐永飞等[25]研究发现，成熟期增生性瘢痕组织中存在EpSCs，与正常皮肤来源EpSCs具有相近的生物学特性，为整形外科中成熟期增生性瘢痕组织表皮的再利用提供了理论基础。You等[26]研究中药穿心莲(A. paniculata, Chuanxinlian)对皮肤的影响作用，通过体外、离体和在体实验研究，发现在穿心莲提取物作用下，EpSCs增殖显著增加，EpSCs的G2/M和S期呈剂量依赖性上升，EpSCs以及皮肤外植体中干细胞标志物整合素β1(CD29)表达上调，EpSCs生成VEGF显著增加，EpSCs调控提升成纤维细胞的Ⅰ型胶原蛋白生成，皮肤保湿、真皮致密度、皱纹形成、松弛下垂等均得以明显改善。同时，将含有穿心莲的配方剂应用于临床，进一步明确了穿心莲提取物通过影响EpSCs而具有的抗衰老作用，并认为穿心莲可作为一种潜在的抗衰老剂。目前，EpSCs在美容和抗衰老方面的研究方兴未艾，涉及物理、化学、药物、植物等的综合研究必将迅速推动干细胞技术和产品在该领域的广泛应用。

六、展 望

干细胞治疗人类疾病的地位和价值已经初步显现，尤其在部分慢性疾病、创伤修复的再生医学领域，显示出了明确的疗效。随着相关研究和产业化政策的顺应调整，干细胞的研究和临床应用将进入有序、规范化发展阶段。EpSCs在表皮的形成、分化以及皮肤创伤愈合过程中发挥重要作用，同时与皮肤疾病包括皮肤癌的发生、发展密切相关，相关科学问题正逐步阐明。伴随着基础科学对EpSCs生物学特性、特殊功能和调控机制的深入研究，EpSCs在再生医学、组织工程、基因及靶向治疗、自体成体干细胞基础治疗、抗衰老和美容以及航天医学等特殊领域中将展现出广阔的应用前景。