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首页合作平台在线期刊中华医药杂志2005年第5卷第1期综述

表皮干细胞的特性及应用

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摘要:【摘要】表皮干细胞位于表皮的基底层,具有强大的增殖分化潜能,在体外可以分化成表皮全层细胞。通过不对称分裂或高度调控的对称分裂机制,表皮干细胞维持了终生的自我更新能力。尽管还没找到一种特异性的表面标志,但目前已能得到较纯的表皮干细胞。这些生物学特性使表皮干细胞成为组织工程皮肤的首选种子细胞。...

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  【摘要】  表皮干细胞位于表皮的基底层,具有强大的增殖分化潜能,在体外可以分化成表皮全层细胞。通过不对称分裂或高度调控的对称分裂机制,表皮干细胞维持了终生的自我更新能力。尽管还没找到一种特异性的表面标志,但目前已能得到较纯的表皮干细胞。这些生物学特性使表皮干细胞成为组织工程皮肤的首选种子细胞。目前,人们正致力于构建具有附属器的全功能皮肤。
    
          
  利用干细胞技术,生物工程原理及材料科学进行组织重建和修复的交叉学科———组织工程学,需要具有高度增殖及分化潜能的种子细胞———干细胞 [1] 。表皮干细胞作为组织工程皮肤的种子细胞,已经在治疗烧伤方面发挥作用。因此,了解其生物学特性对于重建皮肤有重大意义。本文简单回顾了近年来关于组织工程皮肤的种子细胞———表皮干细胞的生物学特性的研究进展,并预测研究和应用的前景。

  1 表皮干细胞的研究进展
    
  1.1 来源与定位 表皮是典型的能够自我更新的组织,根据动力学特性表皮分增殖部和非增殖部。增殖部包括基底层和少量基底层上的具有增殖能力细胞,为维持表皮的完整性不断地提供分化细胞;而非增殖部分由颗粒层和角质层细胞组成,都不具有增殖能力 [2] 。可见表皮的自我更新的能力依赖于基底细胞层中的干细胞,但并非所有基底层的细胞都是干细胞:标记滞留试验显示只有大约10%的基底层细胞具有足够的增殖潜能以形成全层表皮 [3] 。表皮干细胞在基底层的位置也随皮肤类型的变化而变化:在被毛区域,表皮干细胞主要集中于毛囊的隆突部;在掌跖面和毛囊间的皮肤,表皮干细胞集中于基底层突入真皮的表皮脚区域 [4] 。
   
  1.2 特异性标记物 表皮干细胞占基底层细胞的10%,通过产生出大量的瞬时扩增细胞(transcient amplifying cell,TA细胞)实现皮肤自我更新。TA细胞也具有强大的增殖能力,但不能自我更新,不可避免的发展为终末分化细胞 [5] 。表皮干细胞到终末分化细胞的分化过程中,标志物在不断变化,因此可以根据标志物判断细胞的分化程度。表皮干细胞通过表达α6β4整合素,特异性的结合于基底膜IV型胶原上 [6] ;表达α2β1,α3β1等整合素,粘附邻近细胞。开始分化时,干细胞离开基底膜,细胞间的连接也变得松散,此时,α6β4,α2β1,α3β1整合素表达降低或消失。尽管TA细胞也表达α2β1,α3β1等整合素,但α6亚单位表达缺失,β1亚单位只有表皮干细胞的一半左右,而终末分化细胞α6和β1亚单位表达都缺失 [7] 。近年来,有人以10G7抗原和表皮干细胞特异转录因子p63辅助α6和β1亚单位鉴定表皮干细胞。10G7抗原在表皮干细胞中少量表达,在TA细胞呈强阳性;p63则正好相反 [8] 。通过综合分析α6,β1亚单位,10G7抗原和p63的表达,可以把表皮干细胞与TA细胞区分开来,为组织工程提供较纯的种子细胞。
   
  分选毛囊隆突部表皮干细胞时,除了以上标记物还需转铁蛋白受体CD71。隆突部表皮干细胞虽然有增殖潜能,但处于静息状态,CD71呈弱表达。当其开始分化为TA细胞,CD71表达逐渐增强 [9] 。细胞角蛋白的表达也随表皮干细胞的分化程度和来源的不同显出差异,K5与K14在表皮干细胞和TA细胞中有表达,而成熟的角朊细胞只表达K1和K10 [10] ;K19只在掌跖面和毛囊间的表皮干细胞生成的皮肤有表达 [11] 。
   
  1.3 增殖特性 相对其他快速更新的组织,表皮的干细胞是一种慢周期细胞,可滞留放射性标记达数月,甚至数年之久。表皮干细胞的慢周期性既保留了自我更新能力,又保持了基因组的稳定 [12] 。由于处于身体最外层,表皮干细胞极易受各种理化因素的影响,若基因组频繁的复制或转录,容易发生突变。由TA细胞完成数量上的扩增,即使发生突变也会很快完成生命历程,从而避免突变的不利影响 [13] 。在体外扩增条件下,表皮干细胞表现出惊人的增殖能力。每个表皮干细胞约可进行140次分裂,产生1014个子代细胞 [14] 。在生理状态下,表皮干细胞通过两种方式实现增殖与自我更新的协调:一种是在正常状态下的不对称分裂,即一个干细胞产生一个与自己完全一样的干细胞和一个TA细胞,既完成了自我更新,又可通过TA细胞实现数 量上的扩增;另一种是高度调控的分裂机制,即一部分表皮干细胞全部分化为TA细胞,而另一部分表皮干细胞产生的子代细胞全部是干细胞,这种方式主要在皮肤受到局部损伤时发挥作用 [15] 。
   
  1.4 分化潜能 表皮干细胞与其他生物材料构建的人工皮肤可生成全层皮肤,表明其具有在体外分化成表皮的能力 [16] 。根据隆突激活假说,隆突部的干细胞既能分化成全层表皮,又能分化成毛囊内外根鞘,是一种双能干细胞 [17] 。来源于掌跖面和毛囊间的表皮干细胞,除了分化为表皮各层细胞,未见有体外诱导为其他类型组织的报道。将用绿色荧光蛋白(GFP)标记的表皮干细胞注入小鼠的囊胚,小鼠的胚胎和成体的多种组织都发现了表达GFP的细胞 [18] 。但由于无法判定是否有细胞融合发生,因此无法确定表皮干细胞是否能在胚胎微环境下分化为其他组织。

  2 应用前景和困难
    
  表皮干细胞面临以下难题:(1)尚未找到高特异性表面标记物。尽管通过筛选α6,β1亚单位,10G7抗原和p63的表达在理论上可以获得较纯的表皮干细胞,但10G7抗原和p63分别在胞质和胞核内表达,难以应用于活细胞分选;(2)在治疗烧伤方面,表皮干细胞拥有无可置疑的潜能,但能否象骨髓基质干细胞那样可以分化为其他类型的组织依旧是研究的热点。若能将表皮干细胞转化为其他类型的细胞,以其远远超出骨髓基质干细胞的扩增能力,将为组织工程和器官再生提供丰富的种子细胞 [19] 。
   
  目前组织工程皮肤主要有三类:(1)自体或异体培养的表皮片;(2)胶原凝胶、胶原海绵、合成膜、透明质酸膜等构成的真皮替代物;(3)双层结构的人工复合皮肤 [20] 。但还没有一种组织工程皮肤可以满足临床上治疗大面积烧伤的需求。这主要是因为:(1)严重烧伤病人自身的表皮干细胞数量不足,无法满足构建全身皮肤的需要;(2)异种或异体来源的表皮干细胞存在免疫排斥等问题;(3)目前的组织工程皮肤尚无法产生皮肤的附属器,如汗腺、皮脂腺等,因而无法重建皮肤的全部生理功能 [21] 。由于对皮肤附属器发生机制的研究才刚起步,在往后的一段时间内皮肤附属器发生机制的研究将成为皮肤组织工程学的研究焦点。
    
  参考文献
    
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  作者单位:350007福建师范大学生物工程学院发育生物学研究室 

作者: 刘超 2005-7-7
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