毛囊干細胞的基礎研究及修復膀胱損傷的應用現狀

夏力哈爾·阿勒塔依，喬炳璋，拜合提亞爾·阿合買提江，凱賽爾·阿吉，木拉提·熱夏提

(新疆醫科大學第一附屬醫院泌尿中心，新疆 830011)

毛囊干細胞(hair follicle stem cells，HFSC)是一種生長于毛囊并具有慢周期性和高度分化特性的細胞，可分裂增殖產生人體所需的各種細胞，當機體細胞因各種原因損傷而缺失時，它可分化補充缺失的細胞。如今，HFSC在泌尿、皮膚、胃腸道等領域的研究取得了不錯的進展，可被誘導分化為所需的目的細胞，用來修復泌尿道、皮膚、胃腸道等的損傷性疾病。

1 HFSC的特征及分化能力

1.1 毛囊毛囊是由圍繞發根的囊狀組織形成的凹陷皮膚,是皮膚的微小附件，結構復雜，其形態變化、再生和生長周期都由上皮和真皮之間的相互作用產生,毛囊和相鄰的皮脂腺、汗腺和毛狀體構成了毛囊皮脂腺單元,其中包含上皮和真皮結構、內根鞘、外根鞘和毛發基質為上皮結構，真皮結構包括真皮乳頭和真皮鞘[1]。

1.2 HFSC的生長位置HFSC的生長位置一直是研究者討論的熱點。1990年，CATSARELIS等[2]使用[3H]-T標記法發現，在小鼠皮膚，睫毛和觸角的毛囊隆突區域發現了干細胞，而在其他部位均未發現，說明HFSC的生長位置為毛囊的隆突部位。但是，不同物種不同部位的HFSC生長位置也不盡相同，如在手和腳，HFSC存在于表皮脊的頂部以及附著在直立毛發上的毛囊隆起區域[3]。

1.3 HFSC的鑒別通常使用CD34分子、整合素、角蛋白等表面標記物來鑒別HFSC，這些標志物存在于細胞質或細胞核。TREMPUS等[4]首次發現CD34分子可用作小鼠HFSC的特定表面標記。整合素-α6可出現在外根鞘的隆突上部,也可出現在毛囊基底膜中，整合素家族一般和其他標記物共同來鑒別HFSC。角蛋白包括：K4、K14、K15、K19等。CHEN等[5]實驗研究發現皮膚鱗狀細胞癌中K19出現高表達，這表明K19可作為HFSC的標志物，并且用于皮膚癌的臨床診斷

1.4 HFSC的分化能力及其在臨床上的應用HONG等[6]為測試HFSC是否可以分化為平滑肌細胞，將其放入誘導液中進行誘導培養，結果大部分HFSC被誘導為具有平滑肌特征的細胞，并可檢測到平滑肌細胞表面標記物CNN3和DE。這一研究結果可為修復膀胱缺損的組織工程膀胱帶來種子細胞。在今后的研究中可以將HFSC誘導分化為膀胱尿路上皮細胞和平滑肌細胞，植入體內，觀察是否能對缺損性膀胱進行修復。

隨后的研究中發現，HFSC的分化能力超乎想象，它不僅能分化為平滑肌細胞，在特殊處理下還能夠分化為其他各類成體干細胞。臨床上也開始運用HFSC來治療相關疾病。ALAM等[7]將HFSC移植到不同的2種愈合困難的潰瘍創面皮膚中，2周后發現創面周圍長出了新的皮膚，創面出現了愈合，并被治愈。美國學者將HFSC分化為黑素細胞，將黑素細胞注入患者體內，實現人工皮膚的替代物，治愈了皮膚色素缺失的患者。雖然HFSC被成功分化為神經細胞、肝細胞、血管內皮細胞等，但除了治愈皮膚病之外，目前還未有關于治愈其他器官功能性疾病的臨床案例。

1.5 HFSC的基因調控HFSC的基因調控過程相當復雜，目前所知參與HFSC最主要的基因信號通路包括Wnt/β-連環蛋白、BMP、Shh及Notch等[8]。Wnt信號通路一般處于靜止狀態，當微環境改變，如發生皮膚損傷時，Wnt基因表達的新Wnt蛋白激活隆突處的HFSC以修復損傷，在皮膚的重度燒傷和深度潰瘍時表現尤為明顯[9]。Wnt/β-連環蛋白信號通路是毛發再生的主要途徑，在毛發再生中首先被激活[10]。Wnt10b的過表達可將毛囊從靜止階段加速到頭發生長階段[11]。實驗證明，Wnt/β-連環蛋白信號是毛發生長的誘導因子[12]。Wnt和β-連環蛋白在毛發的生長過程中會有相互作用，缺失β-連環蛋白可選擇性的抑制Wnt信號通絡。近年來研究者發現一種啟動子TPA(12-O-Tetradecanoylphorbol-13-acetate)，可影響毛發的周期性生長[13]。TPA可通過激活Wnt/β-連環蛋白信號通路來促進毛發的再生。抑制Wnt信號通路時，HFSC能夠分化為皮脂腺細胞和角質形成細胞[14]。有報道稱，Wnt5a可抑制β-連環蛋白信號的激活[15]。BMP信號能夠調節發干和內發根鞘的終末分化，也可以維持干細胞的慢循環特征。BMP信號主要是控制毛囊上部的干細胞。Shh是HFSC的第2信號通路，當毛囊向下生長時，Shh離開隆突部，標志著干細胞進入休眠狀態。Notch是調節HFSC的重要信號分子，細胞通過Notch促進受體與其配體結合，并根據微環境信號的變化調節Notch信號，實現干細胞的增殖分化[16]。從HFSC基因調控中我們得知，HFSC的分化是由其基因的調控所決定，由于HFSC基因調控的過程相當復雜。筆者認為在今后的研究中加大和深入對基因調控的認識，對信號通路進行實驗性的干擾，使HFSC能夠迅速生長和精準分化，為將來膀胱組織工程的發展帶來希望。

2 HFSC與膀胱損傷的修復

2.1 膀胱的解剖結構和組織學特征膀胱是一個構造復雜的中空器官，它由尿路上皮細胞、平滑肌細胞以及一些血管和神經網絡等組成，它們之間相互作用為膀胱提供了正常的功能。膀胱壁固有層由在其上布滿的血管和神經支配，功能性膀胱由3個提供協調排尿的平滑肌層組成。膀胱被一層結締組織外膜覆蓋，便于保護膀胱壁、血管和神經。膀胱獨特的解剖結構對組織工程膀胱提出了較高的要求，例如：①組織工程膀胱應具有泌尿學動力系統；②植入后的膀胱要有足夠的血管前狀態或擴散血管的能力，以避免移植物的壞死；③移植物要有神經支配，具有產生和接收信號傳導的能力等[17]。

2.2 組織工程學之外膀胱修復重建的材料與方式目前，終末期膀胱疾病的治療金標準是小腸膀胱成形術，這是一種利用腸道組織擴大膀胱的外科手術，盡管腸膀胱成形術提供了功能上的改善，但仍然會產生不同的并發癥，如反復的尿路感染、代謝異常、結石形成和惡性腫瘤等[18]。

早期研究中，有研究人員使用類似膀胱形態的塑料模具作為膀胱重建的替代品，這些新膀胱主要由纖維組織組成，無有功能性的組織再生，可導致各種并發癥發生[19-20]。TSUJI等[21]用明膠海綿對膀胱缺損患者進行了膀胱重建,給組織提供了更舒適的生長微環境，移植后膀胱容量有改善，但后期出現了嚴重的尿失禁。人類膀胱擴大術的部分成功報道是使用甲醛保存的狗膀胱作為患者次全或根治性膀胱切除術后組織生長的臨時支架，假性膀胱雖然構建時間相對較短內，但隨著時間的推移容量逐漸減少，患者會經常出現尿失禁、膀胱輸尿管返流等癥狀[22]。

2.3 組織工程技術用于膀胱修復重建膀胱修復重建是泌尿外科醫生面臨的一大挑戰。組織工程技術的發展是膀胱修復重建的全系治療選擇，動物實驗和臨床應用結果較好。使用脫細胞支架和細胞支架是組織工程進行組織或器官再生的主要方法。脫細胞支架包括天然或合成的生物材料，能夠為患者自身細胞的生長提供支持，刺激體內自發生成細胞。細胞支架方法涉及生物材料和患者的自體細胞，需在體外創造新組織，并將其重新植入患者體內，完成體內的再生過程。

目前，在動物模型中已經使用了許多類型的干細胞和成體細胞來修復或再生組織，干細胞包括胚胎干細胞，誘導性多能干細胞、間充質干細胞、脂肪干細胞、羊水干細胞等[23]。但是這些干細胞取材不易，并且牽扯到倫理問題，故受到了許多的應用限制。成體細胞包括膀胱平滑肌細胞、膀胱尿路細胞、陰莖包皮表皮細胞、口腔角質細胞等，但這些成熟的體細胞體外擴增能力差、培養時間長，在運用上受到了限制[24]。

2.4 HFSC用于膀胱修復重建研究表明，HFSC容易獲得，具有高附加值和多能性，是再生醫學中最好的干細胞來源之一。許多研究也證實了HFSC在膀胱再生中的作用[25]。HFSC可以分化成一系列的細胞類型，具有持續自我更新的特性，以取代正在經歷凋亡的老化細胞[26-27]。故將HFSC用于臨床治療膀胱損傷性疾病成為可能。

運用HFSC修復膀胱缺損的機制是把從體內獲得的組織通過特殊的酶處理后，將種子細胞分離并進行體外培養擴增，再使擴增的細胞與生物支架材料按一定比例融合，使細胞能夠很好的粘附在生物材料上，形成細胞-材料復合體，然后將復合物植入體內組織或器官的受損部位，體內的生物材料會逐漸降解和吸收，植入的細胞繼續在體內增殖，最終形成相應的組織或器官[28-29]。這些支架材料可以是天然的，也可以是合成的，支架植入體內后可激發機體的自我修復能力，而且能夠引導生成新組織的生長位置。

近年來，膀胱脫細胞基質在各種實驗中顯示出了其優于其他生物材料的特性，成為一種理想的生物支架材料[30-31]。接種細胞的同種異體脫細胞膀胱基質已用于狗的膀胱擴大，再生的膀胱組織中含有尿道上皮組織和平滑肌細胞等正常的組織或細胞，具有良好的相容性[32]。研究發現裝入細胞的支架要比未裝入細胞的支架組織再生能力更強，隨著研究的持續深入，這些基質可能在膀胱替代方面有重要的臨床作用價值。

3 總 結

在過去的20年里，從簡單的細胞、生物材料到更復雜的方法，膀胱組織工程領域發生了巨大的變化，盡管研究者仍在不斷進行研究，但膀胱功能的改善尚未實現。雖然HFSC有助于緩解許多組織工程的限制，但由于缺乏對其生物學特點的進一步認識，使得它們在該領域的應用受到了不同程度地限制。膀胱組織工程需要多學科方法相互配合才能取得成功。膀胱復雜的解剖結構需要一個多因素的微環境，使得有必要進行更多的研究。雖然HFSC給診療膀胱損傷性疾病帶來種子細胞與理論基礎，但是臨床診療效果還需進一步探究。筆者希望在今后的研究中能夠進一步理清HFSC的各種特性以及調控機制，為今后臨床一線的診療提供堅實的理論依據。