皮膚再生醫學相關技術在皮膚科學的應用前景

楊揚 梁曉博

[摘要]人表皮干細胞主要來源于表皮，尤其在皮膚創傷后修復和再生方面具有十分重要的功能和作用。皮膚再生醫學是再生醫學的重要組成部分，也是皮膚科學與再生醫學的交叉學科，是兩者的完美結合。作為皮膚再生醫學的主要特色，表皮干細胞相關技術、基因治療及3D生物打印等前沿技術的研究和應用在一定程度上彌補和解決了當前和未來皮膚科學治療領域，尤其在重癥皮膚疾病和嚴重皮膚創傷等治療方面的局限與不足，它們也是皮膚科治療領域發展最有潛力的治療技術。雖然皮膚再生醫學仍會面臨諸多問題和挑戰，但其未來發展前景廣闊。

[關鍵詞]皮膚再生醫學;表皮干細胞;基因治療;3D生物打印

[中圖分類號]R751 ? ?[文獻標志碼]A ? ?[文章編號]1008-6455（2019）07-0170-03

Application Prospect of Correlation Technique of Skin Regenerative Medicine in Dermatology

YANG Yang，LIANG Xiao-bo

（Department of Dermatology，the No.8th Medical Center of the PLAGH， Beijing 100091， China）

Abstract： Human epidermal stem cells mainly are derived from epidermis and play an important role in its function and effect on the skin repair and regeneration after skin wound. The skin regenerative medicine， an important component of regenerative medicine， is a cross discipline of dermatology and regenerative medicine.As the major special feature of skin regenerative medicine， researching and applying the advanced technology of epidermal stem cells， gene therapy and 3-dimensional bioprinting can solve and make up for insufficiency of therapeutics on dermatology currently and in the future， especially in severe cases and skin wound. They are the best potential therapic technology on dermatology. Although there are also a lot of problems and challenges， the skin regenerative medicine has a great prospect for its development.

Key words：skin regenerative medicine; epidermal stem cell; gene therapy; 3D bioprinting

皮膚是人體最大的器官，其結構與功能具有高度復雜性，在保護人體內環境穩定和阻止外界有害物質入侵方面發揮著極其重要的作用[1]。其中，表皮中存在大量的表皮干細胞，其功能強大，在維護皮膚正常生理功能，特別是在皮膚創傷和修復方面具有重要作用和意義。皮膚再生醫學作為再生醫學的一個重要分支，尤其是表皮干細胞（ESCs）相關技術、基因治療及3D生物打印等前沿技術在當前和未來皮膚科治療領域上已經越來越受廣泛關注和重視，在相關基礎研究與臨床應用上具有巨大的發展空間和潛力。本文結合國內外相關研究成果及筆者自身專業方向就上述治療技術在皮膚科學的應用前景綜述如下。

1 ?表皮干細胞及其相關功能

ESCs主要位于人體表皮基底層和毛囊部，是一類具有多潛能分化的細胞，也是皮膚再生醫學治療領域中具有關鍵作用的功能性干細胞。其表觀遺傳學狀態通常不固定，可在一定生理或病理條件下分化和增殖為角質形成細胞和成纖維細胞等細胞類型。在正常表皮內穩態下，位于表皮不同部位的ESCs維持著適應不同部位需要的分化譜系，維護正常的表皮內穩態。Yamada等[2]發現，濾泡間表皮干細胞（IFE-SCs）自身高度表達構成表皮基底膜的層黏連蛋白-332（laminin-332），后者缺失可影響體外培養的三維表皮正常結構的構建。在病理或皮膚創傷情況下，ESCs可被活化并發生自我增殖和分化，從而發揮皮膚修復和再生的功能。Oda等[3]發現，當皮膚損傷時，ESCs最先被激活并增殖，隨后其子代遷移并分化促進受損的表皮再生。在嚴重皮膚創傷時，表皮干細胞可進行功能性互換，以促進創傷局部皮膚再生。該作者進一步研究發現，維生素D受體（VDR）基因敲除小鼠在長期給予低鈣飲食后，其皮膚中ESCs自我更新和遷移功能明顯受損，ESCs及子代的與鈣黏附蛋白E（E-cadherin）相關的表皮分化功能明顯受損，且與β-連環蛋白信號相關的皮膚創傷后細胞活化過程明顯變緩。Wang等[4]早期發現，當各種原因導致人體大面積皮膚創傷而缺乏足夠的自體皮片或因異體/異種皮免疫排斥反應而需再度植皮時，可利用ESCs進行自體培養，并應用于缺損創面達到修復和再生，或利用體外培養ESCs制作功能性人工復合皮膚，后者可進一步移植在動物模型皮膚創面上。作者進一步發現，通過ESCs增殖及分化生成再生的表皮組織進而覆蓋和修復皮膚創面，并未發現明顯排斥反應;ESCs本身可通過各種復雜信號途徑作用于成纖維細胞，調控其在瘢痕形成過程中的作用和影響，抑制或減少瘢痕形成。隨后，Chen等[5]研究發現，在創傷修復和瘢痕形成過程中，小鼠表皮ESCs中Jag1、Notch1和Hes1的表達上調;Jag1的表達與肌成纖維細胞（MFB）的分化呈正相關。相反，Jag1基因敲除小鼠表皮其創傷愈合明顯延緩并促進瘢痕愈合。而濾泡間表皮干細胞（IESCs）與維持表皮再生密切相關，如在不同的皮膚移植術中，IESCs及其前體可加速移植皮片的愈合過程[6]。ESCs還具有一定分化與遷移能力。Zhang等[7]發現，燒傷創面內ESCs中CD271表達增高，而過表達CD271不但可增強ESCs的分化、增殖和遷移能力，還可抵抗其自身凋亡，進而進一步提高燒傷治愈率，因此可作為臨床皮膚燒傷的一種新的治療選擇。Lataillade等[8]認為，使用培養的自體移植物（CEA）有助于嚴重大面積燒傷患者的治療和修復。其中，CEA中ECSs可大量活化并進一步分化為角質形成細胞（MC）使皮膚再生，進一步填充和修復受損的皮膚組織，促進皮膚創面修復。此外，ESCs還具有其他重要的生理功能。Cheng等[9]研究發現，位于小鼠皮膚毛囊隆突部的機械感覺披針形復合體（LCs）與神經發生和局部感覺密切相關。在毛發生長周期的各個階段，ESCs可表達和產生一系列特殊的細胞外基質并緊密包蓋LCs，同時通過產生一種特殊的微生態，形成一種穩定的毛囊-披針形復合體接口，進一步調控毛囊與皮膚神經系統的相互作用。

2 ?皮膚科治療領域的局限性

目前，皮膚科學主要著眼于通過合適的醫療技術或手段來診治各種常見、疑難性皮膚疾病以及發現和探討少見、未知的皮膚疾病。隨著循證醫學、個體化治療模式向精準醫學的進一步發展，現階段皮膚科學在治療領域上已與激光美容醫學、皮膚整形外科學完美融合，形成自己獨特的發展模式。然而，針對各種累及大面積且難以修復的皮膚疾病，如某些嚴重皮膚創傷及各種原因導致皮膚原發或繼發性缺損及部分重癥皮膚疾病等的治療，僅單純依靠某些特效藥物、物理治療包括光療、美容激光以及皮膚整形外科等常規治療技術仍達不到最佳治療效果，其預后也并不理想，且這些治療方法有可能會給患者及其家庭造成較大負擔與痛苦，因此，在一定程度上仍是當前和未來皮膚治療領域亟待解決的重大難題。筆者認為，鑒于上述可能的情況，皮膚科學的未來發展極有可能會與再生醫學有機結合，從而促進了皮膚再生醫學的產生與發展，進一步彌補和解決當前和未來皮膚科學在某些治療與修復領域的局限與不足。

3 ?皮膚再生醫學的概況和應用前景

3.1 皮膚再生醫學的概況：再生醫學（Regenerative medicine）主要是通過研究和應用各種有效而精準的基礎和臨床治療技術包括干細胞相關技術用以替代或再生人體內部各種細胞、組織或器官以修復或維持其正常生理功能的一門重要的前沿學科[10]。皮膚再生醫學（Skin regenerative medicine）是當前再生醫學與皮膚科學的完美結合，它作為皮膚科學和再生醫學的交叉學科，屬于再生醫學的一個重要分支，主要研究和應用人體皮膚來源的干細胞尤其是ESCs，通過各種前沿的基礎與臨床治療技術特別是基因治療技術，在體外進行所需皮膚組織和細胞的培養、活化及擴增，利用干細胞的增殖、分化等功能修復、替代和促使患病或缺損的皮膚組織再生，進而重建、改善和維持皮膚中各組織的正常結構和生理功能[11]。通過不斷發展和自我完善，相對于皮膚科其他現有治療和相關技術而言，皮膚再生醫學在未來皮膚科相關治療領域中的應用將日趨成熟，也會對皮膚科學相關治療領域的發展具有重大應用價值和指導意義。

3.2 應用前景：總的來說，皮膚再生醫學的應用前景廣闊，尤其是利用分子生物學和基因工程技術等研究和構建自體ESCs來源的人工皮膚并應用于皮膚科臨床上各種現有治療技術無法解決問題和困難，包括巨大的良、惡性腫瘤切除術后、嚴重大面積燒燙傷及長期慢性炎癥或感染等導致皮膚大面積缺損的再生，各類難治性皮膚潰瘍和瘢痕的修復等以及研究和探索皮膚科臨床上某些罕見、疑難性皮膚疾病的進一步治療。

目前，皮膚再生醫學已逐漸向精準醫學方向發展，特別是從基因及分子水平進一步研究和探索皮膚組織再生的治療策略。“基因治療”由此孕育而生，即通過具有恰當功能或改變遺傳特性的基因插入到人體的靶細胞包括表皮干細胞中，以達到校正或者改善細胞中缺陷或突變基因進而修復和維持正常組織結構和功能的目的，并促使生物學水平上相關蛋白質的合成[12]。“基因治療”在當前和未來皮膚再生醫學治療領域都具有相當重要的地位和作用。例如：遺傳性大皰性表皮松解癥（DEB）屬于大皰性表皮松解癥（EB）的一種類型，臨床上以外傷后皮膚及皮膚黏膜出現水皰或大皰為主要特征，預后較差。本病的發生主要與表皮內相關編碼基因如角蛋白5或14（K5/14）、BP180、COL7A1等的結構和功能突變密切相關[13]。近期，Vanden Oever和Peking等[14-15]均提到，通過基因替代和剪輯技術以及來源于患者自身的誘導性多能干細胞，如間充質干細胞等聯合應用可在一定程度上治療重癥的遺傳性大皰性表皮松解癥或其他嚴重的遺傳性皮膚疾病，現正在進一步臨床研究中。壞疽性膿皮病（PG）是另一種嚴重影響患者生活質量的皮膚疾病，主要累及皮膚，形成復發性、疼痛性、壞死性的潛行性潰瘍，反復發作、長期不愈。目前認為本病可能是一種免疫相關疾病，通常與其他系統性疾病合并發生[13]。基于PG最新治療理念，Teagle等[16]認為基因治療雖然不作為PG的單一治療方法，但可聯合相關藥物進行綜合治療以獲得治療該病的最佳療效。因此，作者研究在體外將β-半乳糖苷酶報告基因（lacZ）通過轉基因技術轉染到HaCaT細胞（一種角質形成細胞）中，同時給予相關治療藥物（如氫化可的松、甲氨蝶呤和英夫利昔單抗）干預后進行lacZ報告基因轉染率的測量。然后發現，在同等條件（培養基和pH值等）下，轉染報告基因3d后，分別測得：氫化可的松可提高HaCaT細胞中lacZ基因的轉染率，甲氨蝶呤可降低其轉染率，英夫利昔單抗對其轉染率的影響無顯著統計學差異。通過相互比較認為，應用基因治療聯合某種或多種相關藥物干預的方法可能作為未來治療PG的最佳治療途徑而供選擇。另有研究發現，應用TGF-β3轉基因的骨髓間充質干細胞治療可顯著改善皮膚創面愈合及降低創面瘢痕組織形成，提示該療法對軟組織損傷后瘢痕組織形成可能具有一定潛在治療作用[17]。在皮膚再生過程中，光合生物材料可通過生產可嵌合的動植物組織進而產生和提供氧進入血液循環，從而解決了再生醫學中因缺氧導致人造組織使用的局限性問題。該材料不但具有安全性和有效性，也可載有通過基因修飾的工程微藻類，后者可作為血管內皮生長因子等具有血管生成的重組蛋白質的載體，作為組織再生的基因治療技術發揮重要作用[18]。Mo等[19]研究在體外利用靜電紡絲技術（electrospinning）將相關藥物與質粒DNA雙重遞藥系統“焊接”在一起，通過一系列復雜裝配過程后，形成生物相容性極好的納米纖維復合物（PLGA/CNC/Cur/pDNA-ANG），再移植入受感染的皮膚Ⅲ度燒傷創面并獲得成功，認為該方法既可抑制局部感染，又可促進受損皮膚的再生和修復。

與此同時，Varkey等[20]提到了針對皮膚再生和修復的另一種前沿技術，即3D生物打印技術（3-dimensional bioprinting）。該技術通過計算機輔助（CAD）技術，將活細胞包括ESCs等沉積在水凝膠支架上，再根據實際情況使所需組織或器官成分模式化進而促進復合組織結構形成。3D生物打印技術實際上可以在體內或體外進行，通過對不同CAD文件的恰當更換，讓所需的生物材料在支架上層層疊加，最終完成來自不同需求的個性化治療。其中，完成精確的生物打印需要五個關鍵步驟：①完成所需靶組織的掃描/成像;②利用圖像輸出，通過計算機輔助制造（CAD-CAM）軟件做出相應模型;③根據需要打印的組織，選擇生物支架和一種或多種細胞類型;④應用生物打印機進行打印;⑤促使被打印的組織發育成熟[21]，這種技術在未來的器官移植和皮膚創傷修復及再生治療領域具有極大的應用潛力。

雖然ESCs相關技術、基因治療及3D生物打印等前沿技術對皮膚再生醫學的發展具有巨大推動作用，但我們也要從客觀上考慮到，上述治療技術尤其是基因治療也存在一定風險性和不可預知性，因此，仍在不斷研究和探索中，但從長遠發展來看，它的確是皮膚再生醫學治療領域中最具潛力的前沿技術。

4 ?結論與展望

ESCs相關技術、基因治療及3D生物打印等前沿技術在皮膚再生醫學治療領域具有廣闊的應用前景，它們同時在未來皮膚科學尤其是治療領域具有舉足輕重的地位。隨著醫學科學進一步發展，皮膚再生醫學仍面臨諸多問題和挑戰，其主要受不同人種、環境變化及全球經濟發展等各種因素的影響和制約;另一方面，基因治療等技術目前仍主要限于動物實驗階段，并未完全應用于人體研究[22];再者，再生醫學的治療目前也僅限于少數志愿者人群，還未擴大到所有病患。最重要的是，上述治療技術必須要以倫理學為前提，在充分尊重人權的基礎上進行相關研究和治療。

筆者認為，從宏觀醫學角度上看，人體本身就是有機統一的整體，從分子到細胞、組織和器官，再到整個人體，其實就是一個由微觀到宏觀、從局部到整體的客觀發展過程。以上述治療技術為主要特色的皮膚再生醫學實際上就是從人體的某一局部或者某一方面入手，通過合理和精準的實驗研究得出客觀數據，進一步推測和研究整體發展情況，再進一步深入到本質中解決客觀存在的問題。從長遠發展角度上看，皮膚再生醫學不是一門獨立的學科，需要各領域多學科的共同參與和輔助，因此，它必將成為引領未來皮膚科學治療領域發展的風向標，在未來皮膚科學基礎研究與臨床治療方面發揮舉足輕重的作用。

[參考文獻]

[1]楊揚，馬慧軍，胡蓉.皮膚角質層的相關屏障結構和功能的研究進展[J].中國美容醫學，2012，21（1）： 158-161.

[2]Yamada T，Hasegawa S，Miyachi K，et al.Laminin-332 regulates differentiation of human interfollicular epidermal stem cells[J].Mech Ageing Dev，2018，171：37-46.

[3]Oda Y，Hu L，Nguyen T，et al.Vitamin D receptor is required for proliferation， migration， and differentiation of epidermal stem cells and progeny during cutaneous wound repair[J].J Invest Dermatol，?2018，138（11）：2423-2431.

[4]Wang X，Liu Y，Deng Z，et al.Inhibition of dermal fibrosis in self-assembled skin equivalents by undifferentiated keratinocytes[J].J Dermatol Sci，2009，53（2）：103-111.

[5]Chen XD，Ruan SB，Lin ZP，et al.Effects of porcine acellular dermal matrix treatment on wound healing and scar formation： Role of Jag1 expression in epidermal stem cells[J].Organogenesis，2018，14（1）：25-35.

[6]Li Y，Zhang J，Yue J，et al.Epidermal Stem Cells in Skin Wound Healing[J].Adv Wound Care （New Rochelle），2017，6（9）：297-307.

[7]Zhang M，Cao Y，Li X，et al.Cd271 mediates proliferation and ?differentiation of epidermal stem cells to support cutaneous burnwound healing[J].Cell Tissue Res，2018，371（2）：273-282.

[8]Lataillade JJ，Magne B，Bey E，et al.Skin engineering for severe? burns[J].Transfus Clin Biol， 2017，24（3）：245-250.

[9]Cheng CC，Tsutsui K，Taguchi T，et al.Hair follicle epidermal stem cells define a niche for tactile sensation[J].Elife，2018，7：e38883.

[10]Dason C，Dunnill P.A brief definition of regenerative medicine[J].Regen Med，2008，3（1）：1-5.

[11]Shpichka A，Butnaru D，Bezrukov EA，et al.Skin tissue regeneration for burn injury[J].Stem Cell Res Ther，2019，10（1）：94.

[12]Rios HF，Lin Z，Oh B，et al.Cell-and gene-based therapeutic strategies for periodontal regenerative medicine[J].J Periodontol，2011，82（9）：? 1223-1237.

[13]張建中，高興華.皮膚性病學[M].北京：人民衛生出版社，2015：254-255，346-348.

[14]Vanden Oever M，Twaroski K，Osborn MJ，et al.Inside out：regenerative medicine for recessive dystrophic epidermolysis bullosa[J].Pediatr Res，2018，83（1-2）：318-324.

[15]Peking P，Koller，Murauer EM.Functional therapies for cutaneous wound repair in epidermolysis bullousa[J].Adv Drug Deliv Rev，2018，129：330-334.

[16]Teagle AR，Birchall JC，Hargest R.Gene therapy for pyoderma gangrenosum： optimal transfection conditions and effect of drugs on gene delivery in the hacat cell line using cationic liposomes[J]. Skin Pharmacol Physiol，2016，29（3）：119-129.

[17]Li M，Qiu L，Hu W， et al.Genetically-modified bone mesenchymal stem cells with TGF-β3 improve wound healing and reduce scar tissue formation in a rabbit model[J].Exp Cell Res，2018，367（1）： 24-29.

[18]Chávez MN，Schenck TL，Hopfner U，et al.Towards autotrophic tissue engineering： Photosynthetic gene therapy for regeneration[J].Biomaterials，2016，75：25-36.

[19] Mo Y，Guo R，Zhang Y，et al.Controlled dual delivery of angiogenin and curcumin by electrospun nanofibers for skin regeneration[J].2017，23（13-14）：597-608.

[20]Varkey M，Visscher DO，van Zuijlen PPM，et al.Skin bioprinting：the future of burn wound reconstruction[J].Burns Trauma，2019，7：4.

[21]Visscher DO，Farre-Guasch E，Helder MN，et al.Advances in bioprinting technologies for craniofacial reconstruction[J].Trends Biotechnol，2016，34（9）：700-710.

[22]Cossu G，Birchall M，Brown T，et al.Lancet commission： stem cells and regenerative medicine[J]. Lancet，2018，391（10123）：883-910.

[收稿日期]2019-01-08

本文引用格式：楊揚，梁曉博.皮膚再生醫學相關技術在皮膚科學的應用前景[J].中國美容醫學，2019，28（7）：170-173.