[科普中国]-皮肤干细胞

皮肤是人体最大的器官，它被覆于身体表面，由表皮、真皮、皮下组织及附属器组成。在抵御微生物入侵、紫外线辐射以及防止水分的丢失、调节体温和维持人的外貌等方面起着十分重要的作用。

皮肤有极强的修复和再生能力，这与皮肤干细胞的存在具有直接的关系。虽然目前对皮肤干细胞的位置、种类和数量报道不一，但研究较多的主要有表皮干细胞（Epidermal stem cells）和毛囊干细胞(follilar stem cells)。

基本介绍表皮干细胞是各种表皮细胞的祖细胞,来源于胚胎的外胚层,具有双向分化的能力。一方面可向下迁移分化为表皮基底层,进而生成毛囊；另一方面则可向上迁移,并最终分化为各种表皮细胞。1

表皮干细胞在胎儿时期主要集中于初级表皮嵴,至成人时呈片状分布在表皮基底层。表皮干细胞在组织结构中位置相对稳定,一般是位于毛囊隆突部皮脂腺开口处与竖毛肌毛囊附着处之间的毛囊外根鞘。

一般认为表皮干细胞在表皮基底层呈片状分布，而在没有毛发的部位如手掌、脚掌，则仅存在于基底层与真皮乳头顶部相连处。其中有1%～10%的基底细胞为干细胞。随着年龄的增大，表皮脚(伸向真皮层内的表皮基底层)与真皮乳头逐渐平坦，表皮于细胞的数量也随之减少。这也是成人的创伤愈合能力较小儿弱的重要原因之一。1

不同发育阶段的人皮肤表皮干细胞的含量不同。胎儿期表皮基底层增殖细胞均为表皮干细胞和短暂扩增细胞，而少儿表皮基底层中部分细胞为表皮干细胞和暂时扩增细胞，成人表皮干细胞和暂时扩增细胞所占比例则进一步降低。

增殖和分化皮肤干细胞具有强大的自我更新能力，在体外培养时呈克隆性生长。通常情况下，皮肤干细胞通过不对称分裂产生一个子代干细胞和一个定向祖细胞即短暂增殖细胞。子代干细胞具有高度的增殖潜能，但分化较慢。短暂增殖细胞增殖潜能有限，但可不断增加分化细胞数量，产生终末分化细胞。表皮干细胞及其产生的短暂增殖细胞、终末分化细胞构成一个表皮增殖单位，分布在表皮不同的空间。表皮更新时，由基底层表皮干细胞分化产生的短暂增殖细胞失去对基底膜的黏附，向上迁移，最后经过一系列生物化学和形态学变化，达到表皮最外层，形成角质化表皮细胞，角质化表皮细胞最终脱落为皮屑。表皮受到外来损伤时，还可通过对称分裂产生两个干细胞或两个祖细胞，增加干细胞或分化细胞的数量，从而更好地适应机体的需要。1

特征①慢周期性，表现为活体细胞标记滞留。

②自我更新能力，表现为体外培养时细胞可呈克隆状生长，大约能进行140次分裂，产生1×1040个子代细胞。

③对皮肤基底膜的黏附性，主要通过表达整合素实现。1

表面标志及鉴定表皮干细胞形态及动力学特征显微镜下表皮干细胞形态较为原始，体积小，核大，核浆比例大，流式细胞仪分析表皮干细胞多数处于静止期、DNA合成前期，其分裂增殖活动相对静止(在活体内注射3H标记的脱氧胸苷或溴化脱氧尿苷(BrdU，可标记细胞的DNA)后其标记可在表皮干细胞中长期保持不变，而其他如短暂增殖细胞等随着细胞的不断分裂增殖其标记很快被稀释至逐渐消失)。体外培养时干细胞体现了无限的增殖能力，呈克隆状生长。1

整合素整合素包括α和β两种亚基，干细胞高水平表达3种整合素家族：α2βl，α3β1和α5β1。各种整合素作为受体分子与基底膜各种成分的配体结合，是干细胞维持其特性的基本条件，由于表皮干细胞及短暂增殖细胞表面高表达β1整合素，而有丝分裂后细胞及终末分化细胞不表达β1整合素，因而可以用β1整合素的抗体来鉴别表皮干细胞及暂时增殖细胞。

Cotsarelis等研究证实表皮中β1整合素高表达的基底细胞数目大于实际干细胞数，故β1整合素作为鉴别皮肤干细胞的表面标志，仍有待进一步研究。1

角蛋白角蛋白是表皮细胞的结构蛋白，随着分化程度的不同，表皮细胞表达不同的角蛋白，因而可用于鉴别表皮干细胞、短暂增殖细胞和终末分化细胞。表皮干细胞表达角蛋白19；短暂增殖细胞表达角蛋白5和14；终末分化细胞表达角蛋白1和10。一般认为皮肤基底层、毛囊隆突部干细胞角蛋白19表达阳性，但有毛发皮肤基底层的表皮干细胞角蛋白19表达阴性。

Roh等在实验中发现毛囊隆突部表皮干细胞表达角蛋白15，而且在干细胞的分化过程中，角蛋白15表达的减少较角蛋白19表达的减少更早，角蛋白15阴性而角蛋白19阳性的细胞可能是“早期”短暂增殖细胞，在鉴别毛囊干细胞方面，角蛋白15可能比角蛋白19更有意义。但Porter等研究结果显示角蛋白15存在于整个毛囊根部外鞘中。1

其他分子标志①P63：P63是肿瘤抑制因子之一，结构和功能与P53类似；Pellegrini等发现在角膜缘的基底细胞有P63表达，在角膜表面的短暂增殖细胞没有P63表达，因而认为P63是表皮干细胞的标志物。②CD71：CD71为表皮干细胞表面转铁蛋白受体。从细胞数量、形态、分布部位和所含标记保留细胞比例等多方面看，低水平表达CD71的那部分表皮细胞均符合表皮干细胞特征(由于干细胞的慢周期性可用标记保留细胞代表表皮干细胞)。⑧连接蛋白43(Connexin43，Cx43)：Roh等通过实验显示Cx43可能是两种不同组织(角膜和表皮)干细胞的阴性表面标志物。③CD34：CD34是一种属于I型跨膜蛋白的磷酸糖蛋白，主要在造血(祖)细胞上表达。通过实验发现在培养条件下CD34+细胞比CD34-细胞具有更强的克隆能力，证实CD34+上皮细胞比CD34-上皮细胞具有更高的增殖潜能。此外证实CD34+细胞位于毛囊的隆突部，它们处于静止期或在培养条件下有巨大的克隆能力，而且同标记保留细胞一样，用免疫组织化学和放射自显影法可以将CD34表达定位于毛囊的同一区域。因此这些细胞在生物学行为上与干(祖)细胞相似，故可以将其作为鉴别具有干细胞或祖细胞特征的毛囊细胞的标志物。1

应用细胞治疗当皮肤受到损伤时，位于皮肤表皮基底层和毛囊隆突的皮肤干细胞就会在内外因素的调控下，及时增殖分化为相关细胞，以修复机体受损的表皮、毛囊等结构。据此人们将体外培养扩增的表皮细胞膜片或复合皮用于异体移植、烧伤或整形创面的修复。结果显示该移植物可形成完整的表皮结构，而且培养的异体表皮细胞不发生排斥，解决了创面的早期覆盖问题。近年来，有关成功应用复合皮移植的报道也日渐增多，即将创面上覆盖的并体皮于3～5 d后去除表皮，在保留的真皮上植以自体表皮细胞，随访发现表皮在11个月后出现。可能由于培养条件的限制，基底层细胞损伤等造成的干细胞耗竭目前临床效果不是很理想。利用纤维蛋白作为细胞培养的支持物，是皮肤干细胞治疗的重大进步，它不影响细胞的克隆形成能力及长期的增殖潜能。这样的培养物移植可实现细胞的长期增殖，快速持久地覆盖大面积损伤，并且费用低廉。徐荣祥等创建的原位干细胞培植技术就是直接利用皮肤干细胞对组织进行原位修复的。1

皮肤组织工程组织工程皮肤是应用组织工程学的基本原理和方法，将体外培养的细胞扩增后吸附于一种生物相容性良好并被人体逐步吸收的细胞外基质上，对其进行构建和移植，从而实现创伤的修复和重建。大面积Ⅲ度烧伤、广泛瘢痕切除、外伤性皮肤缺损、皮肤癌以及皮肤溃疡等导致的严重皮肤缺损，就可利用组织工程皮肤对其进行治疗。应用于细胞培养的细胞外基质是种植、支持、转运细胞的三维支架，有3T3细胞、聚乌拉坦、透明质酸、纤维蛋白胶与脱细胞真皮等。随着科学的不断进步，利用组织工程皮肤治疗皮肤损伤疾病的效果日渐改善，已成为临床皮肤大面积损伤患者皮源缺乏的根本途径，然而仍存在一些问题有待解决，如自体细胞在体外培养所需周期较长(大约一两周)，不适于急性伤口的治疗；异体或异种细胞移植后仍有延迟排斥反应的存在等。1

基因治疗干细胞除应用于外伤性皮肤缺损以及皮肤溃疡等导致的严重皮肤缺损的移植治疗外，还可以用来研究基因的作用以及某些疾病发病的基因机制，同时也可以用来对一些遗传性皮肤病进行基因治疗，包括导入标志性基因或一个异源基因，使细胞内原有基因过度表达(增加功能)，或基因打靶(失去功能)以及诱导某个基因的突变等。由于表皮的不断更新，必须对干细胞进行基因转染以确保外源基因在表皮细胞的长期表达。为使外源基因在足够多的干细胞中表达，而不是在短暂增殖细胞中表达，需将表皮干细胞与短暂增殖细胞分离开，这是实现基因治疗的重要环节。1

皮肤干细胞的分化调控皮肤干细胞的分化发育受多种因素，主要分为细胞内调控和细胞外调控两大类。细胞内调控主要指细胞内的一些结构蛋白、结构因子、转录因子、端粒酶等通过各种方式对干细胞的增殖分化进行调控；细胞外调控是指干细胞所处的微环境及基板的变化，以及相邻细胞对干细胞的影响都会影响皮肤干细胞的增殖分化。2

细胞内调控转录因子Tcf/Lef家族的调控 在胚胎早期发育中，上皮干细胞的发育受联合转录因子编码调控。最典型的转录因子是Tcf/Lef家族，它对上皮干细胞的增殖分化起着非常重要的作用。Tef/kf家族是Wnt信号通路的中间介质，当细胞内黏附因子β-catenin堆积时，可激活其介导的转录，促进细胞增殖；而当β-catenin分解加速时，诱导上皮细胞分化。2

端粒酶的调控正常动物体细胞中端粒酶处于静止状态；而在干细胞中，端粒酶RNA表达较高，端粒酶处于活化状态，随着干细胞的分化，端粒酶活性逐渐降低，至终末分化细胞已检测不出端粒酶活性。缺乏端粒酶的小鼠到第六代时出现了脱毛、伤口上皮再生障碍、造血干细胞再生受阻等异常，表明端粒酶水平的高低直接影响上皮干细胞的增殖和分化。2

信号转导通路丝氨酸蛋白激酶、酪氨酸蛋白激酶等信号通路在干细胞的增殖和分化调控中起关键作用。最近发现与癌基因有关的Wnt、HH(hedgehog)传导通路与上皮干细胞的增殖分化密切相关，引起很多学者的高度重视，并且进行了大量研究。2

细胞外调控除细胞内源性调节外，皮肤干细胞增殖和分化还受其周围组织及细胞外基质等外源性因素影响。主要包括整合素及细胞外基质、细胞分泌因子调控。2

整合素及细胞外基质 整合素家族是介导干细胞与细胞外基质黏附的最主要的分子，它与其配体相互作用为干细胞的分化、增殖提供了适当的微环境，并控制干细胞的增殖和分化。当干细胞微环境发生改变时，胞外某些信息可通过整合传递给干细胞，以触发跨膜信号转导，调控细胞的基因表达。这一过程可改变干细胞的分裂方式，而且可激发干细胞的多潜能性，使干细胞产生一种或多种定向祖细胞，以适应组织修复的需要。因此，整合素也可认为是创伤愈合过程中的应急受体。基因敲除研究表明，整合素异常表达时影响表皮和毛囊发育，并引起表皮水疱。β1一整合素正常表达时，可介导干细胞与细胞外基质黏附，抑制干细胞分化。当β1一整合素丧失其功能时，表皮干细胞脱离微环境的制约，分化成角质细胞。皮肤表皮干细胞脱离干细胞群落分化阶段的一个标志是：表面整合素水平下降，细胞失去对基底膜的黏附。所以整合素的表达及干细胞的黏附性是维持干细胞群落所必需的条件，二者的缺失将导致干细胞停止自我更新而进入终末分化。此外，细胞外基质可通过调节β1一整合素的表达、基底膜成分的变化和微环境中分泌因子的水平来控制皮肤干细胞的增殖和分化。2

细胞分泌因子的调控 干细胞的细胞膜表面存在多种细胞因子受体，当细胞因子与其受体结合后，使受体结构发生改变，引起一系列变化，从而调控皮肤干细胞的增殖和分化。角质细胞生长因子，表皮生长因子，转化生长因子和抑制性信号物质(如肾上腺素)等都参与皮肤增殖调控。例如，角质细胞生长因子与其受体结合后可促进其受体的二聚体化以及自身的磷酸化，然后通过酪氨酸激酶受体G阴结合蛋白MAPKKK/MAPKK/MAPK信号级联传导系统调节早期的基因表达，促进表皮细胞分裂增殖。角质细胞生长因子是成纤维细胞分泌的，因而成纤维细胞对皮肤干细胞的增殖分化提供了重要的微环境。2

细胞间的调控质细胞是皮肤干细胞的微环境的重要组成部分，它可以产生多种调节因子，同时也具有多种细胞因子的受体，能在局部结合和聚集外来的细胞因子，形成不同细胞因子的不同浓度的分布区域，即“壁龛”结构，其中的调节因子的分布和浓度是变化的，所以该结构不是固定的，而是动态变化的。基质细胞还通过细胞间直接接触产生对皮肤干细胞增殖分化进行调控的信号。例如，穿膜蛋白Notch与其配体Delta或Jagged结合，促进其不断增殖；当Dotch活性被抑制时，皮肤干细胞进入分化，发育成功能细胞阴。Dotch是一种细胞间发生作用的保守的调控细胞分化的膜蛋白受体j高表达Dotch及配体Dehal可认为是干细胞表面分子特征。所以，皮肤干细胞是在细胞一细胞、细胞一间质水平上依赖周围微环境进行发育的。2

本词条内容贡献者为:

赵磊 - 副教授 - 中国农业大学