毛母质细胞研究进展

【关键词】  毛母质细胞;毛囊周期;信号通路;体外培养

毛囊作为人体更新最快的组织器官之一，是研究干细胞迁移、分化良好的模型。近年来，关于毛囊干细胞在毛囊的发生和毛囊的更新中所起作用的研究甚多，并取得了一些突破性的进展，如毛囊干细胞的定位，毛囊干细胞的迁移过程等。然而，对于毛囊发育中最重要的过渡细胞—毛母质细胞如何形成毛髓质、毛皮质、毛小皮和内根鞘等毛囊结构这个问题上却知之甚少。研究并弄清毛母质细胞的分化和增殖过程对理解毛囊的发育、更新以及一些与毛囊相关的疾病都具有重要意义。本文就毛母质细胞的生物学特性、主要信号转导路径及毛母质细胞的体外培养等方面的研究进展综述如下。

　　1 毛母质细胞的结构特点和分化去向

　　毛母质细胞位于毛囊下端的毛球部，是一群围绕在毛乳头周围的上皮细胞，HE染色嗜碱性，为具有多能性的生发细胞，能向几个不同的方向分化。毛母质细胞最终将分化形成毛囊的内根鞘、毛小皮、毛皮质以及毛髓质细胞，而外根鞘及皮脂腺等结构则由Bulge细胞分化而成。毛母质细胞与表皮基底层细胞形态相似，呈柱状或立方形，胞核大，胞质含有许多游离核糖体，线粒体较多，粗面内质网稀疏，高尔基复合体小，有少量角蛋白丝，细胞相邻面有桥粒。毛母质细胞分化的细胞形成不同的产物。内根鞘细胞先形成许多直径6～8 nm的角蛋白丝，然后丝的附近出现均质状的透明毛质颗粒。细胞在充满这些物质时退化，透明毛质颗粒弥散成均质物质，与角蛋白丝结合成复合物，细胞膜也变厚。

　　毛小皮细胞含角蛋白丝少，但包含许多30～40 nm的无界膜包被的小颗粒，其逐渐融合成均质状物质充满细胞[1]。毛皮质细胞含许多直径6～8 nm的角蛋白丝束，其后出现均质状物质充满细胞。髓质细胞产生直径30～50 nm的球形颗粒，颗粒渐互相融合变大，以后成为均质状物质充满细胞。对毛的化学分析表明，内毛根鞘和皮质细胞含低硫的纤维蛋白和高硫的均质状蛋白，毛小皮含高硫的均质状蛋白，髓质细胞含无硫的均质状蛋白。

　　2 毛母质细胞在毛囊的维持和再生中的作用

　　毛球部曾一直被认为是毛囊干细胞的所在地，直到1990年Cotsarelis等[2]对小鼠皮肤进行3HTdR标记实验，发现毛囊隆突部(Bulge)是标记保留细胞(Lableretaining cells, LRCs)的唯一存在地点，从而提出了毛囊干细胞定位于毛囊隆突部的隆突激活假说。在该假说中，毛母质细胞扮演过渡细胞的角色：隆突部细胞在静止期后期被毛乳头激活后迁出，并沿外根鞘向下迁移，后在毛乳头周围分化成为毛母质细胞;生长中期时，毛母质细胞对毛乳头和毛囊周其他间质细胞起激活作用，促血管形成，并且自身分化成毛髓质、毛小皮和内根鞘等终末分化细胞;生长期时，毛母质分化增殖能力强，毛囊不断向下生长，毛干也不断增长，但随着毛母质细胞的分化和耗竭，毛囊的生长将逐渐衰退并进入退化期，所以毛囊的生长期长短是由毛母质细胞所决定的。在Panteleyev等[3]提出的另一种毛囊周期假说——毛囊的预决定假说(hair follicle predetermination hypothesis)中，毛母质细胞是由次级毛芽(secondary hair germ)在静止期末期分化而来的。次级毛芽为毛囊静止期末期的一个特殊结构，由上一个毛囊周期中由隆突部迁出并在退化期后躲过程序性凋亡而幸存的细胞(侧盘)在与毛乳头相互作用后形成。毛母质细胞同样为毛干和内根鞘等结构形成过程中的最后一站。此外在毛母质细胞分化成毛囊结构中各种细胞的过程中，毛母质细胞尚需与黑素细胞、毛囊下真皮细胞相互作用，因此，毛母质细胞的正常分化是形成正常毛囊结构的关键。但是，由于毛母质细胞所处位置特殊，接受和发出多种信号调节毛囊的再生，研究起来十分困难，故影响毛母质细胞增殖和分化的因素尚不明确。

　　为研究毛母质细胞向毛囊结构中各种终末分化细胞的分化过程，Legue等[4] 利用克隆标记方法对毛母质细胞的分化进行了详细地观察，并提出了毛母质细胞的洋葱分化模型(Onion Model)(图1)，发现毛母质中存在着具有自我更新能力的不同干细胞亚群，这些干细胞亚群在毛乳头周围由近及远按顺序排列形成几个相对独立的区域，不同区域内的毛母质细胞将分别分化成为毛囊的不同结构。在该模型中，毛母质细胞的命运(最终分化方向)和特征性行为(外在行为表现，包括是否对称分裂、细胞的极化程度和所表达的特征分子标记等)在空间上是由两个不同的维度来决定的 。在径向方向(radial orientation)上，毛母质可分为生发层(干细胞层)、祖细胞层和分裂期后细胞层(postmitotic layer)。生发层与毛乳头紧密相邻，在毛乳头细胞所提供的信号指引下向不同方向分化，但同时又能够在一定程度上维持自我更新状态;祖细胞层细胞分裂活跃，通过不断的分裂增殖维持外层细胞的数量;而最外层的分裂期后细胞层内的细胞则为终末分化的功能性细胞，已经不再具备分裂增殖的能力。在毛乳头周围，生发层细胞在垂直方向(proximaldistal orientation)上分为三个区域，三个区域分别包含了能够形成内根鞘、毛小皮及毛髓质的前体细胞。而位于最下方的细胞则不参与形成毛囊的内层结构，其主要与外根鞘的形成有关。在这样一个有序的空间体系下，毛母质细胞不断增殖分化，最终完成对毛囊的构建过程。图1 毛母质细胞的二维分化模型示意图

　　3 毛母质细胞与毛乳头间的信号交流

　　毛母质细胞和毛乳头细胞之间存在着密切的信号分子交流，这些细胞间分子信号构成了一张精密的分子网络调节着毛囊的发育和周期性的更新活动。这张网络包括了Wnt、TGFβ/BMP、Hedgehog、FGF、Notch、EGF、TNF和神经营养因子家族等众多信号通路。这些信号通路在不同水平上通过相互交流和对话，精确地调节着毛囊的发育和周期性生长过程。

　　在静止期时，毛囊的生长处于相对停滞状态，可以推测静止期的毛囊存在着某种抑制信号维持着毛囊的这种状态。2001年，Botcharev等[5]发现，BMP4在其中扮演着抑制分子的角色。在静止期的毛囊，毛乳头的成纤维细胞表达BMP4，而此时的BMP4的受体BMPRⅠA选择性地表达于次级毛芽。BMP4作用于其受体抑制了毛囊由静止期转向生长期的过程。Botcharev等通过拔毛诱导生长期的实验证明，经过BMP4处理后的毛囊进入生长期受到抑制。而在接受BMP4拮抗剂Noggin后，将促进毛囊由静止期向生长期的转换过程。Chanda等[6]还发现，在静止期雌激素α受体表达于毛乳头。应用雌激素受体的拮抗剂后可诱导毛囊又静止期转向生长期，说明雌激素在毛囊静止期的维持过程中也起了重要作用。在此之前Phippard等[7]就已经发现雌激素在哺乳动物的腺体发育过程中可调节BMP4的表达，由此可以推测雌激素可能是通过诱导BMP4在毛乳头的表达从而达到维持毛囊处于静止期的作用。

　　在毛囊由静止期转向生长期的过程中，Shh、Wnt/βcatenin/Lef1和STAT3通路的激活BMP信号的下调起着重要作用[8]。在生长期早期，Shh信号通路的激活导致毛乳头和毛母质细胞分别表达Wnt10a和Wnt10b。激活的Wnt通路将促进STAT3的表达从而使毛母质细胞快速增殖。BMP信号对Wnt和Shh通路具有抑制作用，在静止期后期，BMPRⅠA在毛母质细胞的表达下调和BMP抑制分子Noggin的表达上调，从而使得BMP的抑制作用减弱。最终通过前述的Shh、Wnt通路激活毛囊进入生长期 (图2) 。

　　进入生长期后，毛母质细胞和毛乳头细胞之间的信号交流达到最高峰。毛母质细胞表达一系列受体(如βcatenin/Lef1、ckit、cmet、FGFR2、IGFⅠR)，同时在毛乳头也表达如Wnt5a、SCF、HGF、FGF7、IGF1等配体。不仅如此，毛母质细胞也表达PDGFA，Shh和BDNF等配体，同时相应的受体(PDGFRα，Smoothened和TrkB)表达于毛乳头细胞[9]。这说明毛母质细胞与毛乳头细胞之间的存在着双向的信号对话。如前所述，毛母质细胞的分化在空间上是由两个维度所决定的，由此可以推测毛母质细胞的空间分布决定了其所受信号的种类及强度的差异，而正是由于这种差异的存在决定了毛母质细胞最终的分化方向。

　　在转入退行期后，一些曾在生长期高表达的信号分子迅速下降，同时一些促进凋亡的分子如FGF5、TGFβ1和神经营养因子等却大量表达。目前关于毛囊进入退行期的原因有两种学说[10]：一种认为进入退行期是由毛母质细胞内部的生物钟所控制的;另一种则相信这种行为是被相应的外在因素所调控的。

　　毛母质细胞与毛乳头细胞间复杂而有序地通过各种信号的表达精确地调控毛囊的周期和毛母质细胞的分化，其中发生的细胞事件纷繁复杂。目前，从各种信号通路所包含的成千上万种调节因子中筛选出能决定毛母质细胞分化方向和决定毛囊周期的因子，仍然是毛囊生物学学研究最大的挑战。图2 毛母质细胞与毛乳头间的信号交流

　　4 毛母质细胞的体外培养

　　Jones等[1112]于1988年利用含有处于分裂后期的3T3细胞或人真皮成纤维细胞(HDF)的培养基，以毛干组织碎片作为培养物，成功在体外培养出了人类的毛发细胞，并通过超微结构分析和半胱氨酸放射标记技术证明了其中含有毛母质细胞。在此基础上，Limat等[11,13]又通过改进培养技术，在有HDF作为滋养层的培养基上培养出了毛球部的细胞，并且在培养过程中他们发现：与外根鞘细胞相比，毛球部的细胞需要更长的胰酶消化时间，并且传代培养之后恢复生长的速度更慢。Limat等还发现，在未与真皮乳头细胞(DPC)相接触的毛球部细胞会逐渐表达CK1、CK10、外皮蛋白(involucrin)和中间丝相关蛋白(filaggrin)等分化标记;而与真皮乳头细胞(DPC)相接触的毛母质细胞却不表达以上分化标记物。说明毛乳头细胞和毛球部的毛母质细胞之间存在着某种未知信号联系，维持着该部位的毛母质细胞处于未分化的状态。

　　Detmar等[11,14]于1993年第一次报道通过显微切割的方法成功从毛球部分离出毛母质细胞并在无血清的培养基中培养成功，并且利用超微结构分析和免疫细胞化学分析证实了其就是毛母质细胞。在后续培养过程中发现，通过分离得到的毛母质细胞能够发生向毛髓质，毛皮质和内根鞘细胞等方向的分化。Detmar等的培养方法虽然获得了成功，但是仍然无法获得长期稳定的毛母质细胞，培养数代后，大部分已经分化为其他类型的细胞了。自Detmar等之后，虽然也有成功培养出毛母质细胞的报道，但是技术仍不成熟，未能得到推广，并且所培养出来的是否为真正的毛母质细胞仍无有力的佐证。正是毛母质细胞难于体外培养与传代，使对毛母质细胞的进一步深入研究受到挑战。

　　5 毛母质细胞与疾病

　　毛母质细胞是毛囊生长期中分裂增殖最快的细胞，并且随着其分裂速度逐渐下降最终导致毛囊进入退化期。因此当毛母质细胞的分裂过程中受到其他因素的影响时，容易产生病变。

　　正常脱落的头发都是处于退行期及休止期的毛发。由于进入退行期与新进入生长期的毛发不断处于动态平衡，故能维持正常数量的头发。由于病毒、细菌、高热或使用化疗药物等因素抑制了毛母质细胞的正常分裂，使毛囊处于休克状态，从而使毛囊结构无法维持导致脱发的发生。黑素细胞位于毛球部毛母质细胞周围，其将自身所产生的黑素颗粒转移给毛母质细胞，毛母质细胞将所获得的黑素颗粒分配到其子代细胞中(即组成毛干的毛发细胞)，使毛发呈特定的颜色(根据黑素颗粒内容物而异)。当毛母质细胞因为外界因素影响使得毛母质细胞分裂周期与黑素细胞产生黑素颗粒的周期不一致时，黑素颗粒无法进入毛母质细胞从而导致无色素毛发的形成。

　　毛母质瘤是一种常见的表皮附件良性肿瘤。据等Cigliano [14]的一项回顾性研究显示，发病人群以10岁以内儿童为主，好发部位为头部和上肢。手术切除后极少复发。而毛母质细胞癌则为毛母质瘤相对应的恶性肿瘤，其具自身的组织学特性，局部浸润性行为，有复发倾向，偶有转移。研究表明：当毛母质细胞内的βcatenin因为突变或是其他原因无法被及时降解时，过量积聚的βcatenin会进入细胞核中与核内转录因子Lef/Tcf家族成员结合，刺激cmyc、cyclin D1、fra1、cjun等一系列癌基因的表达，从而引起细胞异常增生，最终导致毛母质细胞发生癌变[15]。

　　6 展望

　　毛母质细胞作为毛囊干细胞向终末分化细胞分化过程中的重要过渡细胞，对毛囊的形成具有重要作用。毛囊干细胞的迁出在整个毛囊周期中只占有很短的一部分，而更多的时间里是通过毛母质细胞的增殖和分裂来生成和更新毛囊的各个结构的。而在Panteleyev等[3]所提出的“预决定假说”中，作为毛母质细胞前身的次级毛芽(Secondary Hair Germ)更被认为是毛囊生长期启动的关键结构。因此对毛囊周期的调控研究，不能再只单纯停留在Bulge 细胞的迁出过程。目前对毛母质细胞是通过何种机制演变成各种终末分化细胞的，仍不得而知。目前造成该方向研究停滞不前的原因主要有二：第一是毛母质细胞的离体培养技术仍不成熟，虽然有过成功的报道，但其可控性低，培养出来的毛母质细胞不稳定，很快就因为各种原因而分化成其他终末分化细胞了。第二是毛母质细胞所处环境复杂，接触细胞类型和信号种类甚多，要从各种信号通路所包含的成千上万种调节因子中筛选出能决定毛母质细胞分化方向的因子仍缺乏有效的方法。

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