资料来源：自然科学研究
研究人员在体外诱导未分化的人类干细胞分化成皮肤样结构。植入小鼠后，这些皮肤样结构可以产生毛发——，这充分突出了再生疗法的临床潜力。
当从成年小鼠皮肤中分离出的干细胞首次被诱导分化成毛囊时，美国脱口秀《今夜秀》的前主持人杰伊雷诺开玩笑说，科学家“治愈了秃顶”.至少在老鼠身上。16年后，该项目的现任主持人可能有机会宣布科学家已经“治愈”了人类的秃顶。李博士的团队发表在《自然》杂志上的一项研究使用人类干细胞重建毛囊。这一结果意味着，在不久的将来，我们可能能够大量生产毛囊，并将它们移植到头发稀少甚至秃顶的人的头皮上。一旦这种方法实现了临床转化，它将成为一种革命性的治疗伤口、疤痕或遗传性皮肤病的新疗法。
皮肤组织工程研究始于1975年，当时一项具有里程碑意义的研究表明，角质细胞可以从人类皮肤表层(表皮)分离出来[3]，并且这种细胞可以通过培养增殖。大约十年后，从烧伤病人身上分离出来的角质细胞作为永久性移植物被移植回原始个体。这一成就为2017年的突破奠定了基础。患者是一名男孩，患有一种称为交界性大疱性表皮松解症的遗传性皮肤病。换句话说，他的皮肤非常脆弱，医生用基因改造的矫正细胞代替了他原来的表皮。如果要进一步发展这种基于细胞的治疗方法，移植的皮肤必须包括除表皮细胞之外的正常皮肤的其他成分，例如毛囊、产生色素的黑素细胞、汗腺、神经、肌肉、脂肪、免疫细胞等。
这就是李和他的同事们开始的地方。他们利用干细胞生物学和毛囊发育的研究成果[6]生成了一个接近完整的三维细胞培养物，模拟在——皮肤样器官实验室中培养的皮肤的发育。器官样培养已应用于许多器官，如肠道、肺、肾和脑[7]。器官由多种类型的细胞组成，因此器官样细胞通常由多能干细胞组成，多能干细胞具有分化成所有成熟细胞类型的能力。用于器官样器官的多能干细胞可以是胚胎干细胞或诱导多能干细胞。所谓的诱导多能干细胞是指对成熟细胞进行重新编程以恢复其胚胎样状态[8]。
表皮和真皮是皮肤的主要组成部分，但它们起源于早期胚胎的不同细胞类型。李博士的团队优化了人类多能干细胞的培养条件，生产出含有这两种成分的皮肤样器官。研究人员依次给干细胞添加不同的生长因子。他们首先通过使用骨形态发生蛋白4和转录因子TGF-抑制剂诱导表皮形成。随后，用生长因子FGF2和骨形态发生蛋白抑制剂处理细胞以诱导脑神经嵴细胞的分化，从而形成真皮。
皮肤器官是球形的。70多天后，毛囊开始出现在类似的器官中，并最终长出毛发(图1)。大多数头发都是黑色的，因为黑色素细胞也是从脑神经嵴细胞衍生而来的。与毛囊相关的其他组织，如皮脂腺、神经及其受体、肌肉和脂肪等。也逐渐发育和形成，从而在培养基中形成非常完整的皮肤[9]。然而，皮肤器官缺乏免疫细胞，免疫细胞通常分布在毛囊内和周围，在皮肤中具有各种功能[10]。
图1 |体外培养的皮肤组织将来可能成为一种新的临床治疗方法。Lee的团队[2]在体外将人类多能干细胞培养成球形皮肤样结构，称为器官样结构。他们首先通过使用骨形态发生蛋白4和转录因子TGF-抑制剂诱导表皮形成。随后，用生长因子FGF2和骨形态发生蛋白抑制剂处理细胞以诱导脑神经嵴细胞的分化，从而形成真皮(在此阶段也形成脂肪细胞层)。经过相对较长的潜伏期(超过70天)，相对完整的皮肤细胞，包括大约50个毛囊，在器官样器官中形成。当类似的器官植入皮肤时，毛囊会自然生长。这些器官可用于治疗脱发和遗传性皮肤病，并促进伤口愈合。李和他的同事发现，他们开发的器官中表达的基因具有下巴、脸颊和耳朵皮肤的特征。此外，头皮上的真皮细胞也可能来自神经嵴细胞[11]。这表明这些器官可能确实模仿头皮。研究结果还突出表明，通过改变细胞培养条件，调整实验方法，或能产生具有人体其他部位皮肤特征的类似器官。
Lee的团队培养的器官样器官是分析皮肤发育中各种生物途径影响的理想工具。小分子抑制剂或抑制性核糖核酸分子可用于阻断蛋白质或生物途径，以探索它们对皮肤生长的影响。类似的器官也可以与全基因组关联研究或其他基因数据相结合，分析特定的基因突变如何改变皮肤发育。类似的器官也可用于模拟皮肤和头发疾病，并筛选实验药物的毒性和功效。
除了这些体外应用，研究人员还证明了器官样器官在体内具有治疗潜力。他们将器官样器官移植到免疫功能低下的小鼠体内(以确保移植不会被动物的免疫系统排斥)，并发现只有超过一半的器官样器官能够继续形成毛发并分布在移植物的表面。这表明将皮肤器官移植到伤口中可以促进愈合并防止疤痕形成。移植到头发稀少的地方或者治疗秃顶。
然而，在这种治疗方法成为现实之前，仍有几个问题需要解决。例如，头发可以连续有效地生产吗？这个研究结果可以复制吗？移植后最终需要多少细胞才能形成毛囊？李和其他人已经开始回答第一个问题。他们已经证明，另一个实验室已经采用了同样的条件，并且还开发了能够产生毛发的皮肤样器官。然而，不同干细胞之间的差异以及不同个体干细胞之间的差异仍然是必须面对的困难挑战之一。
类似的器官需要很长时间才能形成毛囊，这更真实地模拟了胎儿皮肤的发育[12]。在这两种情况下，在毛囊开始生长之前，皮肤经历一个相对“静止”的阶段。这是一个值得研究的有趣领域。器官样移植的准备期为140天，这可能会阻碍研究结果——的临床应用。例如，烧伤病人不能等那么久。未来的研究需要进一步探索潜伏期发生的特定分子事件，并通过改变相关的信号通路来加速这一过程。
在进行临床转化之前，本研究中使用的方法需要在其他几个方面进行优化。这项研究中生长的头发越来越短。今后，有必要进一步优化培养条件，以培养大而长的头皮毛发。同时，培养混合物中的一些成分(如称为基质凝胶的蛋白质混合物)需要彻底表征，以确保它们符合生产规范。此外，在未来的器官样培养中，可以尽可能减少多能干细胞的使用，以避免其副作用，如促进肿瘤形成。一个有吸引力的选择是使用成体干细胞。
尽管存在上述问题，李和他的同事们的研究仍然是朝着“治愈”人类秃顶迈出的重要一步，并为其他更具突破性的疗法奠定了基础。至少，它值得在深夜节目中大声宣布。本研究具有良好的临床转化前景。我们相信未来的研究将最终把这一希望变成现实。
