表皮干細胞研究進展

李彬彬 孫培鳴 孫宏偉 崔 彥

皮膚是人體最大的器官，主要功能為阻止外界有害物質的入侵，同時具有調節(jié)機體溫度、感覺、保濕等作用。在皮膚表皮中存在多種干細胞，其中表皮干細胞(epidermal stem cells，EpSCs)在表皮形成、表皮組織結構穩(wěn)定和皮膚創(chuàng)傷愈合及各種皮膚疾病發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。EpSCs是表皮多種細胞的來源，位于表皮的基底、毛囊和皮脂腺等特定位置，可分化為皮膚表層各層組織，使表皮始終處于連續(xù)的增殖、分化、凋亡的狀態(tài)。若表皮干細胞增殖與凋亡的平衡遭到破壞，則可導致多種皮膚疾病包括腫瘤的發(fā)生[1，2]。因此，EpSCs的基礎研究對于闡述各種皮膚疾病的病理機制乃至臨床診療都具有重要意義。本文就EpSCs的特性、信號調節(jié)、在創(chuàng)傷愈合過程和抗衰老中的作用以及與皮膚癌的關系做一綜述。

一、表皮干細胞的特性

EpSCs是多種表皮細胞的祖細胞，擁有自我更新能力和分化潛能，一旦遇到各種刺激因素，可增殖分化形成具有不同功能的細胞。EpSCs來源于胚胎的神經外胚層，具有雙向分化能力，一方面可向上遷移，EpSCs從壁龕中移出，到達最外層，形成棘細胞的中間產物，最后到達表皮的最外層，分化成為各種表皮細胞，取代脫落的表皮和毛發(fā)；另一方面可向下遷移，分化形成表皮的基層，從而產生毛囊[3]。另外，EpSCs可通過不對稱的方式產生兩種子代細胞，其一仍然維持EpSCs的特性，另一種類型的子細胞則在沒有細胞分裂的情況下進行分化，這兩種子代細胞在維持表皮穩(wěn)態(tài)方面均發(fā)揮重要作用[4]。

EpSCs在體內的自我更新能力相當強大，在體外培養(yǎng)亦具有140多次傳代的潛能。根據EpSCs增殖潛能而將其分為3種克隆形態(tài)：①具有高度增殖能力的全克隆；②增殖能力相對弱的部分克隆；③終末分化的類克隆。這3種類型EpSCs的增殖潛能依次降低，而分化程度則依次增加。全克隆EpSCs主要由干細胞組成，形態(tài)尚未成熟，增殖潛力最大，可高度表達β1、β6整合素、K19、K15、CD71等，這些分子可作為顯示干細胞特性包括靜止和增殖能力的標志[2]。

EpSCs包含幾種不同的細胞類型，包括濾泡間表皮干細胞、毛囊干細胞和皮脂腺干細胞等。濾泡間表皮干細胞均勻分布于基層，形成功能獨立的隔室，即表皮增生單位(epidermal proliferative unit，EPU)，而每個EPU的結構由一個被短暫擴增細胞包圍的中央干細胞組成[1～3]。XVⅡ型膠原(COL17)是位于表皮基膜帶的跨膜蛋白，具有調節(jié)濾泡間表皮細胞的增殖的作用，與皮膚屏障功能、增生、肥厚、衰老等密切相關；濾泡間表皮干細胞的生物學標志物尚未明確，需要進一步研究[5]。在組織穩(wěn)態(tài)的過程中，毛囊干細胞具有獨特的生物學功能，雖然不參與表皮細胞的形成，但在特殊情況下，它可以表現出多能干細胞的特性，并且參與傷口的再上皮化。每個毛囊都經歷3個連續(xù)的周期性變化階段，即生長階段(生長期)、過渡階段(生長中期)和休眠期(生長末期)，而位于毛囊凸起處的干細胞具有自我更新的能力。毛囊干細胞有許多種標志物，包括陽性標志物CK15、CK19、p63和CD200等，以及陰性標志物CD34和聯接蛋白4(connexin 4)等，這些標志物有助于鑒別毛囊干細胞[1,6]。

在皮膚創(chuàng)面愈合過程中，EpSCs不僅具有慢周期性、自我更新能力，還具有對基膜的黏附特性。EpSCs對基膜的黏附特性是干細胞維持其特性的基本條件之一，并且干細胞脫離基膜的黏附是誘導其進入分化周期的重要調控機制。有研究EpSCs對Ⅳ膠原黏附特性的影響，取貼壁后10、20、30、60min的EpSCs培養(yǎng)，發(fā)現EpSCs的貼壁數量隨時間延長而逐漸增多，βl整合素陽性率的表達量可達100%，說明Ⅳ型膠原有利于干細胞的貼附及生長[7]。

隨著對EpSCs自我更新和分化潛能的深入研究以及EpSCs技術的轉化應用，將會進一步提升對EpSCs特性的全面認識。

二、表皮干細胞的信號調節(jié)

研究證實，一些信號通路在維持表皮干細胞的穩(wěn)態(tài)、增殖和分化過程中發(fā)揮重要作用。Wnt/β-catenin信號通路對EpSCs發(fā)育、毛囊形態(tài)形成和組織穩(wěn)態(tài)過程發(fā)揮調控作用[8]。楊榮華等[9]觀察Notch信號通路對EpSCs增殖和分化的影響，結果表明，激活Notch信號通路能促進EpSC增殖并維持低分化狀態(tài)，而抑制Notch信號通路則能促進表皮干細胞向表皮細胞分化。李冰等[10]研究發(fā)現，激活的細胞外調節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)進入細胞核內，作用于多種轉錄因子進而參與某些基因的轉錄與表達，影響細胞的增值與分化，說明ERK通路在EpSCs的增殖與分化中發(fā)揮重要的作用，這為EpSCs的靶向誘導提供了一定的理論基礎。

長期暴露于紫外線會對皮膚造成損傷。研究證實，眾多信號調節(jié)介導了紫外線對皮膚的損傷效應。Netrin-1蛋白作為netrins家族成員，在紫外線B(ultraviolet-B，UV-B)輻射下，具有調節(jié)EpSCs功能的作用，能減輕UV-B輻射誘導的氧化應激過程，還可通過增加線粒體膜電位水平和三磷酸腺苷(ATP)的生成，進一步調節(jié)UV-B輻射誘導的線粒體功能障礙和乳酸脫氫酶釋放，從而改善細胞的功能，這些變化與Wnt/β-catenin信號通路有關[11]。Wang等[12]研究發(fā)現，S14G-humanin(HNG)作為線粒體衍生肽家族中重要成員，具有抑制UV-B輻射誘導的活性氧生成、增強氧化谷胱甘肽表達的作用；通過增加HNG可減弱UV-B輻射誘導的線粒體膜電位，表明HNG能夠改善Wnt/β-catenin相關通路蛋白表達。Chang等[13]研究TGR5(takeda G-protein-coupled receptor-5)對EpSCs紫外線B輻射的保護作用，發(fā)現UV-B輻射后TGR5表達下降，加入其激動劑3-(2-氯苯基)- N-(4-氯苯基)-N,5-二甲基異惡唑-4-羧酰胺(GPBARA)后，通過降低4-羥基-2-壬烯醛(4-hydroxy-2-nonenal)和增加谷胱甘肽水平從而抑制UV-B輻射誘導的氧化應激反應；GPBARA還可以通過提高線粒體膜電位，改善UV-B輻射誘導的線粒體功能障礙；使用GPBARA提前處理細胞，能夠抑制UV-B輻射誘導的細胞活力、LDH釋放和高遷移率組box 1分泌，GPBARA預處理還能減輕紫外線輻射誘導的整合素β1和Krt 19下降水平。

研究表明，轉錄因子包括p16INK4a、Myc和p63等與染色質重構因子相互作用對表皮干細胞的分化和增殖具有一定的調節(jié)作用。p16INK4a作為一種周期調控蛋白，能抑制細胞周期G1/S轉換，在調節(jié)EpSCs自我更新過程中發(fā)揮調節(jié)作用，該調控功能失調可能與皮膚衰老或腫瘤發(fā)生有關。組蛋白修飾已成為表皮分化的表觀遺傳調控因子，Myc可通過誘導與修飾活化染色質狀態(tài)相關的組蛋白來調控從靜止干細胞到TA細胞的轉變。Myc活化不僅能促進EpSCs的增殖，還能促進濾泡間上皮細胞和皮脂腺細胞的分化[9,14]。除轉錄因子外，miRNA和lncRNA在表皮干細胞的增殖和分化中也發(fā)揮一定的調節(jié)作用。另有一些分子如GATA3、SSEA-4、CLC和RUNX1等亦與EpSCs增殖、分化調控有關[14,15]。

EpSCs的信號調節(jié)，既是EpSCs發(fā)揮各種潛能的內在機制，也是全面認識EpSCs特性和發(fā)掘EpSCs轉化應用的關鍵環(huán)節(jié)，有待于深入探討。

三、表皮干細胞在創(chuàng)面愈合過程中的作用

皮膚及其附屬器官為機體適應生存環(huán)境提供了許多關鍵功能。皮膚由中胚層起源的下層真皮和外胚層起源的上層表皮組成，其中表皮是一種分層的上皮細胞，由增殖細胞的內基層和分化后的基層組成，一些基底細胞通過不對稱分裂，從細胞周期中退出并從基膜中脫離，進入細胞的終末分化階段[1,16]。

皮膚損傷修復是一個復雜的動態(tài)過程，可分為3個階段，即炎癥、組織形成及組織重構。該過程在損傷后即啟動，涉及多種細胞和多種因子以及細胞基質的相互作用。另外，皮膚的更新包括皮膚的補充、角化和老化皮膚的脫落、毛發(fā)的生成和損傷后的組織修復等過程[3,17]。

EpSCs在皮膚創(chuàng)傷愈合過程中具有獨特作用，通過免疫調節(jié)、表皮再生、血管再生和膠原沉積等作用于傷口愈合全過程。促進創(chuàng)面愈合的干細胞可作為細胞來源，這些細胞不僅可以再生丟失的組織，還可以通過旁分泌的方式促進傷口愈合[3,17]。

毛囊干細胞位于隆突部，是神經末梢和毛細血管匯集的地方，這為其維持自身穩(wěn)定提供了良好的微環(huán)境，并接受信號轉導調控自身的增殖與分化。皮脂腺干細胞分化產生皮脂腺細胞，濾泡間表皮干細胞形成表皮最外的屏障層。這些細胞在皮膚損傷修復方面起著重要作用，包括炎性反應、新生血管化、組織重塑、再上皮化等。毛囊干細胞群和濾泡間表皮干細胞群可以產生角化細胞，進而演化為創(chuàng)面再上皮化的細胞[7]。

EpSCs分泌的細胞因子具有特殊的生物活性特征，可促進細胞分化增殖，誘導趨化炎性細胞，并調節(jié)細胞的分裂、遷移，進而影響創(chuàng)面愈合。這類細胞因子在一定程度上能抑制成纖維細胞生長，使膠原纖維合成減少從而達到減少瘢痕形成的作用；另一方面，若傷口愈合過程受到不良因素影響則會導致肉芽組織過度生成，最終導致增生性瘢痕的形成[3,16]。微囊蛋白1(caveolin-1)是胞膜上的一種整合膜蛋白，在保持caveolae的完整性、小胞運輸以及信號轉導中起到重要作用。Yang等[18]研究caveolin-1在大鼠燒傷創(chuàng)面愈合過程中對表皮干細胞的作用，發(fā)現過表達caveolin-1的EpSCs能明顯促進傷口的再上皮化，增強細胞構成，促進脈管系統形成，并增加傷口評分；同時探討姜黃素對EpSCs調控創(chuàng)面愈合的作用及分子機制，發(fā)現姜黃素不僅能促進EpSCs增殖、脈管系統形成，還能提升caveolin-1表達[19]。聶剛等[20]探討高濃度葡萄糖對小鼠EpSCs增殖的影響，研究結果表明，高濃度葡萄糖可明顯抑制小鼠EpSCs的增殖，進一步闡明了糖尿病創(chuàng)面難愈的干細胞相關機制。Tang等[21]研究發(fā)現，急性缺氧可誘導EpSCs從靜止狀態(tài)轉變?yōu)榛罨癄顟B(tài)，并明顯增強細胞活力和運動性，促使EpSCs增殖高峰提前出現；外源性羥化酶抑制劑FG-4592能穩(wěn)定缺氧誘導因子1，提升EpSCs增殖水平及活性，加速傷口愈合，為皮膚創(chuàng)面愈合的靶向治療提供了新的理論基礎。

隨著創(chuàng)傷研究和轉化醫(yī)學的發(fā)展，EpSCs在創(chuàng)面愈合過程中的作用機制研究及轉化應用將會迅速延伸并發(fā)揮越來越重要的作用。

四、表皮干細胞與皮膚癌的關系

EpSCs的增殖和分化受多種因素的調節(jié)，其中組蛋白修飾、DNA修飾和非編碼RNA在內的動態(tài)表觀遺傳網絡在調控EpSCs的穩(wěn)態(tài)性和可塑性方面起著重要作用。特殊環(huán)節(jié)發(fā)生變化，將會導致皮膚疾病甚至皮膚癌的發(fā)生。有研究表明，表皮生長因子受體的結構性激活與表皮乳頭狀瘤及鱗狀細胞癌的發(fā)生、發(fā)展有關。Chen等[22]研究抑癌基因Pten在EpSCs中的作用，發(fā)現Pten基因發(fā)生缺失則會導致Akt/β-catenin信號轉導通路異常，與皮膚鱗狀細胞癌發(fā)生有關。基底細胞癌可以由多種干細胞群產生，包括隆凸的干細胞和濾泡間干細胞，其間演化與致癌信號和Hh/Gli驅動的皮膚腫瘤表型有關。組織干細胞進行再生和創(chuàng)面愈合修復的細胞程序，會被腫瘤細胞“劫持”。當應激反應轉錄因子水平升高，干細胞譜系穩(wěn)定性遭到破壞，癌基因被激活，就會誘發(fā)腫瘤生成[23]。一系列研究表明，在眾多不良因素的影響下，EpSCs可演變?yōu)槠つw癌。盡管機制復雜而需深入研究，但避免內外環(huán)境因素對EpSCs的不良影響是維護干細胞健康分化和預防皮膚癌的關鍵。

五、表皮干細胞與抗衰老和美容

衰老是一種與基因相關的受內外因綜合性因素影響的疾病。在人的生命周期中，細胞逐漸衰老，直至死亡又被新的細胞取代，在這種更替過程中，干細胞在維持機體穩(wěn)態(tài)、保證組織器官的修復和再生中發(fā)揮著舉足輕重的作用。衰老與干細胞的數量下降導致修復功能衰退有關。衰老不可避免，但可以不同程度的延緩。干細胞對顏面美容和皮膚防老化過程的作用[24]。徐永飛等[25]研究發(fā)現，成熟期增生性瘢痕組織中存在EpSCs，與正常皮膚來源EpSCs具有相近的生物學特性，為整形外科中成熟期增生性瘢痕組織表皮的再利用提供了理論基礎。You等[26]研究中藥穿心蓮(A. paniculata, Chuanxinlian)對皮膚的影響作用，通過體外、離體和在體實驗研究，發(fā)現在穿心蓮提取物作用下，EpSCs增殖顯著增加，EpSCs的G2/M和S期呈劑量依賴性上升，EpSCs以及皮膚外植體中干細胞標志物整合素β1(CD29)表達上調，EpSCs生成VEGF顯著增加，EpSCs調控提升成纖維細胞的Ⅰ型膠原蛋白生成，皮膚保濕、真皮致密度、皺紋形成、松弛下垂等均得以明顯改善。同時，將含有穿心蓮的配方劑應用于臨床，進一步明確了穿心蓮提取物通過影響EpSCs而具有的抗衰老作用，并認為穿心蓮可作為一種潛在的抗衰老劑。目前，EpSCs在美容和抗衰老方面的研究方興未艾，涉及物理、化學、藥物、植物等的綜合研究必將迅速推動干細胞技術和產品在該領域的廣泛應用。

六、展 望

干細胞治療人類疾病的地位和價值已經初步顯現，尤其在部分慢性疾病、創(chuàng)傷修復的再生醫(yī)學領域，顯示出了明確的療效。隨著相關研究和產業(yè)化政策的順應調整，干細胞的研究和臨床應用將進入有序、規(guī)范化發(fā)展階段。EpSCs在表皮的形成、分化以及皮膚創(chuàng)傷愈合過程中發(fā)揮重要作用，同時與皮膚疾病包括皮膚癌的發(fā)生、發(fā)展密切相關，相關科學問題正逐步闡明。伴隨著基礎科學對EpSCs生物學特性、特殊功能和調控機制的深入研究，EpSCs在再生醫(yī)學、組織工程、基因及靶向治療、自體成體干細胞基礎治療、抗衰老和美容以及航天醫(yī)學等特殊領域中將展現出廣闊的應用前景。