表皮干细胞在创面修复和再生中的研究与应用 原创 医学参考报 干就有未来 收录于话题 #干细胞研究 99个内容

撰文│施 彦 刘德伍

编辑│毕紫娟

审校│汤红明

皮肤具有极强的修复及再生能力，这与皮肤干细胞有密不可分的关系。现有研究证明，分布于表皮基底层及毛囊隆突部的表皮干细胞（epidermal stem cell，ESC） 是皮肤发育、代谢及损伤修复的重要细胞源泉，不仅维持皮肤正常的新陈代谢，而且参与毛囊形态的发生，是创面愈合的关键性功能细胞。一般来讲，创面残留的ESC越多，愈合速度就越快，瘢痕形成也越少。例如，头皮含有相当数量的ESC，因此临床经常选择头皮作为供皮区；而深度创伤则因为ESC的大部分缺失，故愈合后将不可避免伴有瘢痕增生。理论上任何创伤都可依赖ESC实现生理愈合，而事实上在皮肤附件受损的深度创伤，残留的ESC并没有按照预先程序化的途径正常分化完成皮肤解剖结构和功能修复，而是愈合失控，最终形成缺少毛发和汗腺的瘢痕组织。这说明创面愈合结局不但与ESC数量有关，同时与ESC的增殖分化行为有关。进一步探讨ESC增殖分化在创面修复和再生中的作用与调控机制意义重大。

一

ESC 增殖分化的调控机制及与创面修复的关系

（一）Wnt 信号对ESC增殖分化调控作用

Wnt信号蛋白是一种分泌型糖蛋白，在维持代谢稳态上发挥重要作用，可调控相关细胞增殖、分化、迁移等活动。近年来， 有研究表明Wnt信号通路与皮肤创伤修复及瘢痕形成密切相关。当特异性下调β-catenin表达后，ESC增殖受限。进一步研究表明，使用DKK1抑制Wnt信号通路活动同样可逆转ESC的过度增殖。另一方面，研究者发现：胚胎期的表皮细胞中可见Wnt信号通路的高表达。同时，皮肤基底层中高表达Wnt信号通路的细胞具有慢细胞周期特点，且能形成短暂的祖细胞并最终分化为其他细胞；位于上基部的细胞则低表达Wnt信号通路，不具有上述能力。高水平Wnt信号可诱导ESC发育成毛发、皮脂腺结构，而阻断Wnt信号则导致ESC向表皮方向分化。在皮肤创伤修复过程中，激活Wnt/β-catenin信号通路，可以见到创面被复层上皮覆盖,并观察到简单的毛囊及皮脂腺等附属器的形成，且修复后的真皮内未见到炎症细胞的聚集及大量胶原的沉积，愈合质量明显好于对照组。此外，研究发现，Axin2、Lgr6 分别是Wnt/β-catenin信号通路的直接及间接目的基因，Wnt 信号传导通路通过调控上述基因表达干预ESC活动、维持皮肤组织稳态。因此，在皮肤深度损伤情况下Wnt/β-catenin信号通路发生改变可能是导致创面愈合异常和瘢痕形成的重要分子机制之一，可通过干预信号通路以调控ESC增殖分化能力、提高愈合质量。

（二）Notch 信号对ESC增殖分化调控作用

Notch 信号通路作为一种进化上高度保守的信号通路，是存在于多种组织的决定细胞命运的信号转导系统。Notch信号通路对多潜能干细胞的自身增殖和定向分化具有决定性的调控作用。当Notch受体与其配体Jag蛋白结合后，干细胞能维持多向分化潜能，进行非分化性增殖；当Notch信号活性被抑制时，干细胞易向终末分化细胞分化。进一步研究表明，Notch受体和配体在表皮组织中大量表达且发挥调控作用。同时，进化上保守的Notch通路在调节表皮组织细胞的增殖、分化方面起着关键作用。有研究证明，在表皮基底层可见Notch1广泛表达，而ESC则主要位于表皮基底层。此外，有学者特异性敲除Jag1后，基底层细胞因丧失增殖能力而分化异常；而Hes1 特异性低表达则会导致皮肤ESC增殖受限、上皮化进程受阻进而出现皮肤屏障功能损害及毛发发育异常等现象。其中一种解释是，Notch信号通路具有调节干细胞黏附能力的作用；后者影响干细胞所在的生物微环境（即“壁龛”），从而导致干细胞接受不同的信号，进而引导细胞自我更新或沿着不同的谱系分化。值得注意的是，此前已有报道，Jag1作为哺乳动物中第1个被证实的Notch受体的配体在皮肤全层均有表达，且对ESC的分化起重要调控作用。近来，包括笔者所属团队在内的研究发现，在皮肤组织中Jag1介导Notch和Wnt信号“对话”，从而调控ESC增殖和分化并在创伤愈合和瘢痕形成中发挥作用，但是具体机制尚不完善，有待进一步研究。

（三）MicroRNAs（miRNA）调控ESC及创面愈合

miRNA 是一种真核细胞内非蛋白质编码的小分子RNA，成熟的miRNA可与靶mRNA的3'端非翻译区（UTR）碱基配对、形成RNA诱导的基因沉默复合体（RNA-induced silencing complex，RISC），从而负性调控相关靶基因表达。事实上，一个miRNA可参与调控数百个基因，而一个基因则可被多个miRNA调控。因此，miRNA是基因表达调控的关键因子，且在包括细胞增殖、分化在内的多个生物学过程中起着关键作用。

近年来，miRNA特异性参与表皮组织的发育和成体皮肤干细胞稳态的维持等作用也引起了普遍关注。研究显示：在小鼠的不同的表皮组织成分中分别检测到几种miRNA的特异性表达， 如miR-199家族仅在毛囊中可检测到其表达。近期，Hildebrand等发现， 在分化的表皮细胞中miR203、miR-23b、miR-95、miR-210等表达上调， 而miR-376a表达下降。这说明上述上调的miRNA参与表皮细胞的分化活动。另以miR203为例， 其通过抑制p63的表达导致ESC失去“干性”而过早分化，实现维持皮肤组织形态和表皮细胞分化的作用。然而，在创面愈合过程中，miR203的过表达可最终导致ESC数量减少、皮肤屏障缺陷等情况。研究显示，急性皮肤创面的创缘组织中miR203的表达下调，同时p63的表达上调，而在慢性创面中可检测到miR203的表达上调。研究也发现，miR-125b在ESC生物学活动中发挥重要的调控作用，mir-125b的表达上调有助于ESC“干性”的维持，而ESC的子代细胞中mir-125b的表达下降。此外，mir-125b的表达失控是导致银屑病的表皮细胞过度增殖的重要原因。

（四）LncRNA 调控ESC及创面愈合

近20年来的研究揭示，许多非编码RNA（non-coding RNAs，ncRNAs）在细胞生理和病理学上具有重要的调节作用。lncRNA是具有超过200个核苷酸的ncRNA，含有大量且多样化的ncRNA分子。现已证明lncRNA通过多种机制调节基因表达，从而控制成体组织动态平衡及疾病的发展。期间，需要与相关蛋白、RNA及基因组DNA协同调节基因表达。同时，由于lncRNA在不同细胞及不同信号刺激下表达不同，因此在调节细胞命运上起决定性作用。最近，研究者陆续发现早期传代的真皮乳头细胞和晚期传代的真皮乳头细胞间lncRNA差异性表达情况，其中后者在体内失去诱导毛发生长的能力。根据文献报道，相较于晚期传代真皮乳头细胞， 共有1683种lncRNA在早期传代的真皮乳头中表达上调而有1 773种lncRNA表达下降。同样在研究皮肤衰老情况的实验中，共发现151种lncRNA在年轻皮肤和衰老皮肤间存在差异性表达。尽管上述大部分都集中研究众多lncRNA的差异性表达上，但是也有文献提及这些差异性表达的lncRNA实际上与ESC的增殖和分化存在联系。例如，抗分化的lncRNA（ANCR）在表皮祖细胞中异常高表达且在分化过程中表达下调。特异性敲除ANCR 后，将逐级影响、最终导致GRHL3、ZNF750、PRDM1和KLF4等促进分化的转录因子表达升高，从而出现表皮过早分化。另一方面，在ESC分化过程中， 诱导终末分化的lncRNA（TINCR）表达异常升高。TINCR则可通过与Staufen 1结合形成复合物从而增加促进分化的mRNA（如KRT80、MAF 和MAFB）的稳定性实现调控表皮分化的作用。

上述这些充分说明差异性表达的lncRNA通过调控相关转录因子或增加相关mRNA稳定性等方法参与调控表皮细胞增殖、分化过程。因此有理由相信lncRNA调控ESC生物学活动，相关研究有待进一步验证。

二

ESC 的临床应用

1984年有学者首次报道利用表皮细胞膜片（Cultured epidermal cell sheet, CES）临床治疗大面积烧伤并成功挽救患者生命的案例。当前全球范围内已达成普遍共识，大面积严重烧伤患者创面移植CES可增加患者的生存率。这是因为CES 内富含ESC，后者移植于创面后可增殖分化、实现表皮组织再生。此外，慢性创面因局部组织的ESC数量较少且在持续的血液循环下损耗殆尽，因而很难发挥再生表皮组织的作用，这无疑进一步加重创面难愈。因此，接种与细胞外基质（ECM）相容的载体基质培养的ESC于慢性创面，不仅可有效弥补ESC数量不足的问题且可为修复创面提供必要的基质成分。同时，位于毛囊外鞘隆凸部的ESC还可分化为汗腺细胞和毛发基质细胞。有学者采用ESC治疗严重皮肤烧伤，发现修复后的创面皮肤内有汗腺和毛囊组织结构。另外，在一些代谢性疾病表皮损伤中，ESC被视作基因治疗的载体，通过基因修饰来纠正先天性皮肤损伤。奥地利Paracelsus Medical University皮肤研究所的研究者将基因修饰的ESC移植于交界型大疱性表皮松解（Junctional Epidermolysis Bullosa，JEB）及隐性营养不良性大疱性表皮松解（Recessive Dystrophic Epidermolysis Bullosa，RDEB）患者的大腿部位。1年后临床观察发现，移植区域的表皮细胞黏附能力恢复正常，说明ESC对EB具有治疗意义。

实际上，ESC不仅是替代、修复上皮组织的种子细胞，而且在其他组织再生治疗中也具有重要的临床价值。研究发现，将ESC从在体组织中分离出来、使之脱离其固有的生物微环境后，细胞展现出远超于正常状态下的细胞能力。将ESC注射到小鼠胚胎内后可分化为三个胚胎胚层。报道显示，在动物模型中，移植ESC可治疗角膜缘干细胞缺乏症（limbal stem cell deficiency，LSCD）且有80%的治愈率；改造的ESC具有一定程度的可塑性和再生能力，可在LSCD 动物模型中再生为角膜上皮和透明角膜。研究发现，截指的小鼠依靠移植ESC短暂形成的胚芽再生并分化出具有原截指形态的组织。另据文献报道，儿童手指末端的再生可能与ESC的作用密切相关。因此，ESC有望产生替代组织和生物学上兼容的结构，解决再生医学领域备受关注的供体器官缺乏等问题。

三

展望

ESC 除了直接作为功能细胞发挥作用以外，其旁分泌效应也引起研究者的关注。近年来研究显示，ESC主要通过分泌外泌体（Exosomes，Exo）传递蛋白质、核酸等多种生命活性物质调控微环境。以miRNA为例，由于有磷脂双层膜保护，外泌体中的miRNA 能够免受RNA依赖性酶降解而稳定传输，在细胞间信息传递和相互作用中发挥主要作用。这被认为是细胞间信号交流的第三种途径，且与细胞接触依赖的信号传导和通过可溶性分子介导的传导这两条途径一样重要。Mistry等研究发现：部分外泌体亚基在ESC中表达丰富，可维持相关细胞的增殖能力且抑制细胞过早分化。近来有研究团队发现，ESC可能通过分泌外泌体传递miRNA有效诱导创面中Mφ 型巨噬细胞向M2型极化，从而有效控制炎症、实现促进创面愈合的目的。上述研究无疑为研究ESC提供了新的研究思路和方向。

（ ID：yxckbsc2021040401）

刘德伍 教授

博士生导师，南昌大学第一附属医院主任医师。主要从事烧伤整形与创面修复专业，以干细胞与皮肤再生医学、创面愈合失控（增生性瘢痕和糖尿病难愈创面）发生机制及其防治新技术的研究与应用为主要研究方向。担任国际糖尿病足保肢协会中国区常委、中国康复医学会修复重建专委会创面治疗分委会副主委、中国中西医结合学会瘢痕整形美容专家委员会副主委、中国整形美容协会干细胞研究与应用分会常务理事、海峡两岸医药卫生交流协会烧创伤暨组织修复专委会常委等职。先后主持干细胞与创面修复领域国家与省部级项目19项，以第一或通信作者发表学术论文110余篇。

— END —

《医学参考报》干细胞与再生医学频道

由同济大学附属东方医院承办

感谢大家的支持！

原标题：《表皮干细胞在创面修复和再生中的研究与应用》