ⅩⅦ型膠原蛋白在脫發中的作用機制研究進展

鄭嶼萍 黃清瑞 張彥峰 張慧敏 何翔

[摘要]脫發是一種較為常見的皮膚疾病，其發病率逐年上升，并呈年輕化趨勢發展，困擾著越來越多人的生活，以進行性毛囊微型化、毛發生長期縮短為特點，導致毛發附著松散容易脫落。ⅩⅦ型膠原蛋白是一種跨膜蛋白，位于表皮基底膜區的半橋粒，維持表皮真皮之間的緊密連接。近期研究發現，ⅩⅦ型膠原蛋白參與毛發生長，調節毛發相關細胞的靜息與活化。若缺失ⅩⅦ型膠原蛋白可通過DNA損傷效應累積、表皮細胞極性失衡以及抑制干細胞競爭導致脫發。本文將對ⅩⅦ型膠原蛋白在脫發中的作用機制予以綜述，為毛發再生領域研究提供方向。

[關鍵詞]ⅩⅦ型膠原蛋白；毛囊；干細胞；衰老；脫發；再生

[中圖分類號]R758.71? ? [文獻標志碼]A? ? [文章編號]1008-6455（2024）03-0175-04

Research Progress on the Mechanism of Collagen Type XⅦ in Alopecia

ZHENG Yuping，HUANG Qingrui，ZHANG Yanfeng，ZHANG Huimin，HE Xiang

（Department of Dermatology，Shuguang Hospital Affiliated to Shanghai University of Traditional Chinese Medicine，Shanghai 201203，China）

Abstract： Alopecia is a common skin disease. Its incidence is increasing year by year， and it is developing in a younger trend， which is plaguing more and more people 's lives. It is characterized by progressive hair follicle miniaturization and shortening of hair growth period， resulting in loose hair attachment and easy shedding. Collagen type ⅩⅦ is a transmembrane protein located in the hemidesmosomes of the epidermal basement membrane zone， maintaining the tight junction between epidermis and dermis. Recent studies have found that collagen type ⅩⅦ is involved in hair growth and can regulate the quiescence and activation of hair-related cells. Deletion of collagen type ⅩⅦ can lead to alopecia through accumulation of DNA damage effects， imbalance of epidermal cell polarity and inhibition of stem cell competition. This article will review the mechanism of ⅩⅦ collagen in alopecia and provide a direction for the field of hair regeneration.

Key words： collagen type ⅩⅦ; hair follicle; stem cells; senescence; alopecia; regeneration

脫發是目前一種臨床常見疾病，嚴重影響患者生活質量[1]。其發病機制尚未完全闡明，可能與遺傳、免疫、氧化應激、微生物組、過敏、表觀遺傳、鐵儲備、氧化壓力等因素有關，是多因素共同作用的結果[2-3]。在治療上，目前只有米諾地爾和非那雄胺被FDA批準作為治療脫發的藥物。其他治療方法包括激光、微針、A型肉毒毒素、PRP療法、JAK抑制劑和微電流刺激等[4-9]，但仍然缺乏循證醫學證據來證實其療效的臨床試驗。此外，在臨床中發現，大部分患者脫發區域的毛發較為細軟且易脫落，皮膚鏡下表現為毛發厚度減少，微細毛發數量增加及絨毛狀毛囊樣改變，且在治療初期時也常出現大量再生長的微小絨毛以及斷發、掉發的表現[1]。這說明可能存在毛囊連接功能障礙使得毛發附著松散，容易脫落。ⅩⅦ型膠原蛋白（ⅩⅦ collagen，COL17）是表皮基底層的一種跨膜蛋白，具有維持表皮真皮之間的緊密連接，以促進表皮更替、穩固基底膜的功能[10]。已有證據表明，COL17水解可引起毛囊微型化最終導致脫發[11]。本文將圍繞COL17的分子和生物學特性、參與調節脫發相關的細胞以及其缺乏誘導脫發的作用機制進行闡述，為治療脫發提供新的研究方向。

1? COL17分子和生物學特性

跨膜膠原蛋白ⅩⅦ（COL17）是一種位于基底膜區角質形成細胞中半橋粒的Ⅱ型跨膜膠原蛋白。COL17以兩種形式存在：一種是由180 kDa的COL17鏈的同源三聚體跨膜分子組成，是維持表皮和真皮之間穩定黏附的重要分子[12]。另一種是3個120 kDa的多肽不溶性胞外域，可能與基底角質細胞的遷移有關[13]。缺乏COL17導致交界性大皰性表皮松解癥（Junctional epidermolysis bullosa，JEB）的發生，COL17也可能被包括類天皰瘡和線性IgA大皰性疾病在內的其他自身免疫性水皰性皮膚病的自身抗體靶向[13]。

研究發現，具有COL17突變的JEB患者通常會出現皮膚萎縮和傷口愈合延遲、脫發等特點，因此，COL17在調節脫發、皮膚衰老和傷口修復等方面的功能逐漸顯現[14]。毛囊生長是一個動態的過程，在生長期、退行期和休止期之間循環[15]。毛囊的循環更替是不定期的，主要取決于參與細胞的自我更新，其增殖分化和維持穩定的能力隨年齡增長而逐漸降低[16]。有研究表明，COL17通常通過調節脫發相關干細胞群起作用，調節細胞的靜息活化與自我更新，維持毛發再生[11]。若COL17缺乏則會通過多種機制加速毛囊老化[11]。

2? COL17參與調節脫發的相關細胞

2.1 COL17與毛囊干細胞：近年來，越來越多的證據顯示COL17參與維持毛囊干細胞（Hair follicle stem cells，HFSCs）的穩定。HFSCs的增殖分化受其周圍微環境影響。1978年，Schofield首次將這樣的特殊微環境（生態位）定義為壁龕[17]。COL17已被證明為HFSCs形成的一個生態位，在維持HFSCs功能中有多種信號傳導途徑參與其中[11]。TGF-β是一種調節多種器官細胞增殖和分化的細胞因子[18]。在HFSCs中，COL17的缺失導致TGF-β/Smad信號傳導減弱[19]。表明當COL17缺損時，HFSCs不能早期表達TGF-β，影響了TGF-β調控HFSCs的分化和休眠[20]。COL17也可以通過Wnt-β-catenin信號途徑調控HFSCs的分化，防止新生小鼠的表皮增厚，減少老化[20]。研究表明，COL17下調可能通過Wnt信號通路的下游轉錄因子c-MYC導致毛囊縮小[20-21]。Notch信號途徑能夠調控皮膚內部多種不同細胞譜系分化、增殖和凋亡，精確調控干細胞命運，在維持HFSCs的可塑性上有著關鍵作用[22]。有研究表明，Notch可能是COL17的潛在靶點，COL17缺陷可能通過Notch信號通路導致毛囊微型化，但還需進一步的驗證[21]（見圖1）。這些研究表明，COL17對維持HFSCs的穩定不可或缺，并通過多種信號通路途徑避免HFSCs老化和微型化的發生。

2.2 COL17與濾泡間表皮細胞：濾泡間表皮細胞（Interfollicular epidermis，IFE）穩態是維持皮膚屏障功能的主要生理過程。近年來，有研究表明IFE的增殖可以與毛發生長周期協同作用，共同維持毛發的再生[23-24]。COL17缺失通過Wnt信號導致新生小鼠短暫性IFE肥大，IFE通過表達角蛋白1和角蛋白10參與早衰小鼠HFSCs從隆突區上方向表皮遷移的過程，導致毛囊干細胞逐漸向角質細胞分化，加速毛囊衰老形成脫發[11]。有研究通過過表達COL17對COL17缺失小鼠進行轉基因拯救，可以逆轉增殖性IFE表型和改變的Wnt信號[20]（見圖1）。目前，有關COL17在維持IFE穩態的機制研究相對較少，深入研究COL17如何調控IFE的增殖可能為治療脫發提供重要靶標。

2.3 COL17與多能干細胞：隨著2012年諾貝爾醫學獎獲得者山中伸彌的發現，誘導多能干細胞（HAP）的出現為幾乎所有人類疾病帶來了再生醫學方法。不少學者開始從人工誘導多能干細胞的角度研究脫發療法[25-27]。有研究發現毛囊相關HAP在體內和體外共同表達COL17。COL17在HAP第一次分化時升高，HAP集落形成后消失，HAP第二次分化后上調。結果表明，COL17參與毛囊相關HAP的分化，在HAP向表皮角質形成細胞的分化過程中起重要作用[15，28]。研究COL17在毛囊相關HAP的分化中的作用機制可能為從再生醫學角度治療脫發提供新的思路。

2.4 COL17與黑素細胞干細胞：Tanimura S等[29]通過小鼠試驗證實了在COL17缺陷的小鼠中黑素細胞干細胞（MSCs）的維持存在缺陷。在COL17缺失小鼠的基底角質形成細胞（包括HFSCs）中強制表達COL17可挽救MSCs的過早分化并恢復TGF-β信號。HFSCs通過TGF-β信號通路為MSCs提供COL17依賴的生態位，并且通過雙基因系統有條件敲除小鼠TGF-β2可導致輕度毛發變白[30]。這表明COL17可通過TGF-β信號通路維持MSCs的穩定，有助于毛發再生。此外，深入研究COL17調控MSCs的機制可能為治療白發提供新的靶點。

3? COL17缺乏誘導脫發的作用機制

3.1 DNA損傷效應累積：損傷理論是一種被廣泛接受的皮膚衰老加速機制，涉及復制錯誤、活性氧、端粒侵蝕和染色體斷裂造成的DNA損傷積累[21]。通過GSEA分析發現參與細胞應激反應包括DNA損傷反應（DDR）的基因在衰老的HFSCs中富集[11]。表明HFSCs中DNA損傷在生長發育階段的積累導致了HFSCs老化狀態。COL17的表達可通過基因組/氧化應激誘導的蛋白水解發生生理波動，并因基因組應激而加速[10]。有研究者發現基因毒素（UVB、電離輻射等）誘導的COL17下調被Marimastat阻斷[10]。Marimastat是一種基質金屬蛋白酶抑制劑，具有穩定COL17的特性。這表明過度或重復的基因毒性應激通常通過觸發DNA損傷反應，通過COL17的降解導致半橋粒的降解[10]。此外，還有報道稱，老化的HFSCs產生中性粒細胞彈性蛋白酶（ELANE）和其他一些蛋白酶如ADAM9、ADAM10、ADAM17和MMP9，這些蛋白酶可直接降解COL17[11]。這表明COL17可被ELANE等蛋白水解酶降解，這些蛋白酶是在HFSCs中誘導對DNA損傷的反應[11]（見圖2）。因此，抑制蛋白酶的降解以降低DNA損傷效應，有助于維持COL17的穩定，降低毛囊老化的發生。

3.2 表皮細胞極性失衡：表皮極性是由對稱細胞分裂（SCD）和不對稱細胞分裂（ACD）之間的微妙平衡維持的。α蛋白激酶C（αPKC）和分裂缺陷蛋白（PAR）是低等生物極性和細胞命運的關鍵調節因子，在表皮中表達，并在細胞間連接處富集[31]。αPKC與PAR3失活可導致毛囊干細胞的衰退，伴隨著肥厚皮脂腺的形成和表皮分化的增加，同時可以促進表皮極性向ACD傾斜，促進毛囊衰老[32-33]。COL17可以通過與αPKC-PAR復合物相互作用維持表皮細胞極性。研究表明，αPKC抑制劑處理的3D重建表皮中COL17減少[20]，COL17缺失會破壞PAR3在表皮中的分布[14]。此外，Watanabe M等[20]研究表明，缺失COL17的新生兒小鼠表皮細胞分裂軸向ACD傾斜，這種傾斜的細胞極性可以解釋缺失COL17新生兒小鼠表皮的過度增生，使HFSCs向表皮角質細胞轉化，促進毛囊老化（見圖2）。這些結果共同表明，COL17的缺失可通過影響αPKC和PAR兩個調節細胞極性的關鍵分子誘導表皮細胞極性失衡促進毛囊老化，這為研究COL17促進毛發再生治療脫發提供新的思路。

3.3 抑制干細胞競爭：COL17通過促進干細胞“競爭”從而維持皮膚組織的完整和健康。最近，利用小鼠體內克隆分析和體外3D建模表皮干細胞系統，證明高水平表達COL17的克隆優于并淘汰表達低水平COL17的相鄰應激克隆，這表明了COL17的高表達有利于組織穩態，而COL17的缺乏會導致皮膚老化[10，34-35]。Liu N等[10]將COL17A1-細胞與COL17A1+細胞共培養，發現缺乏COL17A1的基底細胞被作為受損細胞從皮膚中清除。并且COL17A1可通過介導SCD機制促進COL17A1+細胞的克隆擴增，在衰老過程中推動細胞競爭。這揭示了COL17可以驅動干細胞競爭來協調皮膚穩態和老化，可能在毛發再生中通過促進毛囊干細胞競爭來維持毛囊微環境的穩定，但其具體機制還需進一步探討（見圖2）。

4? 小結和展望

越來越多的研究表明，COL17在毛發再生中具有重要作用，參與調節脫發相關細胞的自我更新。缺乏COL17可通過DNA損傷效應累積、表皮細胞極性失衡以及抑制干細胞競爭誘導脫發的發生。COL17在脫發中的作用機制為研究其調控毛發再生和新型藥物的開發打下基礎。目前，已有誘導COL17的小分子抑制劑Y-27632、羅布麻素和PAL-RGD納米粒用于促進皮膚再生和傷口愈合[10，36]。然而，誘導COL17的小分子藥物在促進毛發再生領域還有待進一步的開發。此外，有關COL17調控毛發再生的機制仍有較多問題尚未解決，COL17調控HFSCs的多種信號機制如何相互作用、COL17損傷狀態下過表達COL17如何誘導毛囊再生及其在調控過程中是如何動態變化的，以及COL17在干細胞再生與衰竭之間的平衡機制等。深入研究COL17調控毛發再生的機制以及對毛囊生態位老化機制和干細胞再生的系統理解，可能為治療脫發提供新的靶點。

[參考文獻]

[1]倪錦濤，楊旅軍.雄性激素源性脫發治療方式的研究進展[J].中國美容醫學，2022，31（5）：185-189.

[2]Zhou C，Li X，Wang C，et al.Alopecia areata： an update on etiopathogenesis， diagnosis， and management[J].Clin Rev Allergy Immunol，2021，61（3）：403-423.

[3]趙小敏，瞿欣.氧化壓力與頭發老化的相關性研究進展[J].中國美容醫學，2020，29（1）：166-170.

[4]劉陽，曲茜，樊哲祥，等.低能量激光治療女性型脫發的隨機對照臨床研究[J].中國美容醫學，2021，30（10）：73-77.

[5]陳禮刻，黃熙.微針在脫發疾病治療中的應用進展[J].中國美容醫學，2022，31（12）：196-199.

[6]Zhou Y，Yu S，Zhao J，et al.Effectiveness and safety of botulinum toxin type A in the treatment of androgenetic alopecia[J].Biomed Res Int，2020，2020：1-7.

[7]鐘淑賢，李春，李瑜，等.富血小板血漿治療雄激素性脫發的Meta分析[J].中國美容醫學，2021，30（9）：36-40.

[8]King B，Ohyama M，Kwon O，et al.Two phase 3 trials of baricitinib for alopecia areata[J].N Engl J Med，2022，386（18）：1687-1699.

[9]Hwang D，Lee H，Lee J，et al. Micro-current stimulation has potential effects of hair growth-promotion on human hair follicle-derived papilla cells and animal model[J].Int J Mol Sci，2021，22（9）：4361.

[10]Liu N，Matsumura H，Kato T，et al.Stem cell competition orchestrates skin homeostasis and ageing[J].Nature，2019，568（7752）：344-350.

[11]Matsumura H，Mohri Y，Binh N T，et al.Hair follicle aging is driven by transepidermal elimination of stem cells via COL17A1 proteolysis[J].Science，2016，351（6273）：4395.

[12]Natsuga K，Watanabe M，Nishie W，et al.Life before and beyond blistering： The role of collagen XVII in epidermal physiology[J].Exp Dermatol，2019，28（10）：1135-1141.

[13]Nishie W.Collagen XVII processing and blistering skin diseases[J].Acta Derm Venereol，2020，100（5）：54.

[14]Watanabe M，Kosumi H，Osada S I，et al.Type XVII collagen interacts with the aPKC-PAR complex and maintains epidermal cell polarity[J].Exp Dermatol，2021，30（1）：62-67.

[15]Shirai K，Obara K，Tohgi N，et al.Expression of anti-aging type-XVII collagen （COL17A1/BP180） in hair follicle-associated pluripotent （HAP） stem cells during differentiation[J].Tissue Cell，2019，59：33-38.

[16]Lei M，Chuong C M.STEM CELLS.Aging， alopecia， and stem cells[J].Science，2016，351（6273）：559-560.

[17]Schofield R.The relationship between the spleen colony-forming cell and the haemopoietic stem cell[J].Blood Cells，1978，4（1-2）：7-25.

[18]Peng D，Fu M，Wang M，et al.Targeting TGF-beta signal transduction for fibrosis and cancer therapy[J].Mol Cancer，2022，21（1）：104.

[19]Tuusa J，Kokkonen N，Tasanen K.BP180/collagen XVII： a molecular view[J].Int J Mol Sci，2021，22（22）：12233.

[20]Watanabe M，Natsuga K，Nishie W，et al.Type XVII collagen coordinates proliferation in the interfollicular epidermis[J].Elife，2017，66：e26635.

[21]Liu Y，Ho C，Wen D，et al.Targeting the stem cell niche： role of collagen XVII in skin aging and wound repair[J].Theranostics，2022，

12（15）：6446-6454.

[22]Nicolas M，Wolfer A，Raj K，et al.Notch1 functions as a tumor suppressor in mouse skin[J].Nat Genet，2003，33（3）：416-421.

[23]Abreu C M，Pirraco R P，Reis R L，et al.Interfollicular epidermal stem-like cells for the recreation of the hair follicle epithelial compartment[J].Stem Cell Res Ther，2021，12（1）：62.

[24]Kretzschmar K，Boonekamp K E，Bleijs M，et al.Troy/Tnfrsf19 marks epidermal cells that govern interfollicular epidermal renewal and cornification[J].Stem Cell Reports，2021，16（9）：2379-2394.

[25]Pinto A，Terskikh A V.The rise of induced pluripotent stem cell approach to hair restoration[J].Plast Reconstr Surg，2021，148（6S）：39S-46S.

[26]Obara K，Reynoso J，Hamada Y，et al.Hair follicle associated pluripotent （HAP） stem cells jump from transplanted whiskers to pelage follicles and stimulate hair growth[J].Sci Rep，2022，12（1）：21174.

[27]Shimizu Y，Ntege E H，Sunami H，et al.Regenerative medicine strategies for hair growth and regeneration： A narrative review of literature[J].Regen Ther，2022，21：527-539.

[28]Lee J，Rabbani C C，Gao H，et al.Hair-bearing human skin generated entirely from pluripotent stem cells[J].Nature，2020，582（7812）：399-404.

[29]Tanimura S，Tadokoro Y，Inomata K，et al.Hair follicle stem cells provide a functional niche for melanocyte stem cells[J].Cell Stem Cell，2011，8（2）：177-187.

[30]Nishimura E K，Suzuki M，Igras V，et al.Key roles for transforming growth factor beta in melanocyte stem cell maintenance[J].Cell Stem Cell，2010，6（2）：130-140.

[31]Castiglioni V G，Pires H R，Rosas B R，et al.Epidermal PAR-6 and PKC-3 are essential for larval development of C.elegans and organize non-centrosomal microtubules[J].Elife，2020，9：e62067.

[32]Ali N，Dias G M，Bauer R，et al.Essential role of polarity protein par3 for epidermal homeostasis through regulation of barrier function， keratinocyte differentiation， and stem cell maintenance[J].J Invest Dermatol，2016，136（12）：2406-2416.

[33]Veltri A，Lang C，Cangiotti G，et al.ROR2 regulates self-renewal and maintenance of hair follicle stem cells[J].Nat Commun，2022，13（1）：4449.

[34]Ylostalo J H.3D Stem Cell Culture[J].Cells，2020，9（10）：2178.

[35]Brunet A，Goodell M A，Rando T A.Ageing and rejuvenation of tissue stem cells and their niches[J].Nat Rev Mol Cell Biol，2023，24（1）：45-62.

[36]Lim J H，Bae J S，Lee S K，et al.Palmitoyl-RGD promotes the expression of dermal-epidermal junction components in HaCaT cells[J].Mol Med Rep，2022，26（4）：320.

[收稿日期]2023-03-08

本文引用格式：鄭嶼萍，黃清瑞，張彥峰，等.ⅩⅦ型膠原蛋白在脫發中的作用機制研究進展[J].中國美容醫學，2024，33（3）：175-178.