毛囊干細(xì)胞的基礎(chǔ)研究及修復(fù)膀胱損傷的應(yīng)用現(xiàn)狀

夏力哈爾·阿勒塔依，喬炳璋，拜合提亞爾·阿合買提江，凱賽爾·阿吉，木拉提·熱夏提

(新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院泌尿中心，新疆 830011)

毛囊干細(xì)胞(hair follicle stem cells，HFSC)是一種生長于毛囊并具有慢周期性和高度分化特性的細(xì)胞，可分裂增殖產(chǎn)生人體所需的各種細(xì)胞，當(dāng)機(jī)體細(xì)胞因各種原因損傷而缺失時(shí)，它可分化補(bǔ)充缺失的細(xì)胞。如今，HFSC在泌尿、皮膚、胃腸道等領(lǐng)域的研究取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，可被誘導(dǎo)分化為所需的目的細(xì)胞，用來修復(fù)泌尿道、皮膚、胃腸道等的損傷性疾病。

1 HFSC的特征及分化能力

1.1 毛囊毛囊是由圍繞發(fā)根的囊狀組織形成的凹陷皮膚,是皮膚的微小附件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其形態(tài)變化、再生和生長周期都由上皮和真皮之間的相互作用產(chǎn)生,毛囊和相鄰的皮脂腺、汗腺和毛狀體構(gòu)成了毛囊皮脂腺單元,其中包含上皮和真皮結(jié)構(gòu)、內(nèi)根鞘、外根鞘和毛發(fā)基質(zhì)為上皮結(jié)構(gòu)，真皮結(jié)構(gòu)包括真皮乳頭和真皮鞘[1]。

1.2 HFSC的生長位置HFSC的生長位置一直是研究者討論的熱點(diǎn)。1990年，CATSARELIS等[2]使用[3H]-T標(biāo)記法發(fā)現(xiàn)，在小鼠皮膚，睫毛和觸角的毛囊隆突區(qū)域發(fā)現(xiàn)了干細(xì)胞，而在其他部位均未發(fā)現(xiàn)，說明HFSC的生長位置為毛囊的隆突部位。但是，不同物種不同部位的HFSC生長位置也不盡相同，如在手和腳，HFSC存在于表皮脊的頂部以及附著在直立毛發(fā)上的毛囊隆起區(qū)域[3]。

1.3 HFSC的鑒別通常使用CD34分子、整合素、角蛋白等表面標(biāo)記物來鑒別HFSC，這些標(biāo)志物存在于細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞核。TREMPUS等[4]首次發(fā)現(xiàn)CD34分子可用作小鼠HFSC的特定表面標(biāo)記。整合素-α6可出現(xiàn)在外根鞘的隆突上部,也可出現(xiàn)在毛囊基底膜中，整合素家族一般和其他標(biāo)記物共同來鑒別HFSC。角蛋白包括：K4、K14、K15、K19等。CHEN等[5]實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)皮膚鱗狀細(xì)胞癌中K19出現(xiàn)高表達(dá)，這表明K19可作為HFSC的標(biāo)志物，并且用于皮膚癌的臨床診斷

1.4 HFSC的分化能力及其在臨床上的應(yīng)用HONG等[6]為測(cè)試HFSC是否可以分化為平滑肌細(xì)胞，將其放入誘導(dǎo)液中進(jìn)行誘導(dǎo)培養(yǎng)，結(jié)果大部分HFSC被誘導(dǎo)為具有平滑肌特征的細(xì)胞，并可檢測(cè)到平滑肌細(xì)胞表面標(biāo)記物CNN3和DE。這一研究結(jié)果可為修復(fù)膀胱缺損的組織工程膀胱帶來種子細(xì)胞。在今后的研究中可以將HFSC誘導(dǎo)分化為膀胱尿路上皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞，植入體內(nèi)，觀察是否能對(duì)缺損性膀胱進(jìn)行修復(fù)。

隨后的研究中發(fā)現(xiàn)，HFSC的分化能力超乎想象，它不僅能分化為平滑肌細(xì)胞，在特殊處理下還能夠分化為其他各類成體干細(xì)胞。臨床上也開始運(yùn)用HFSC來治療相關(guān)疾病。ALAM等[7]將HFSC移植到不同的2種愈合困難的潰瘍創(chuàng)面皮膚中，2周后發(fā)現(xiàn)創(chuàng)面周圍長出了新的皮膚，創(chuàng)面出現(xiàn)了愈合，并被治愈。美國學(xué)者將HFSC分化為黑素細(xì)胞，將黑素細(xì)胞注入患者體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)人工皮膚的替代物，治愈了皮膚色素缺失的患者。雖然HFSC被成功分化為神經(jīng)細(xì)胞、肝細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞等，但除了治愈皮膚病之外，目前還未有關(guān)于治愈其他器官功能性疾病的臨床案例。

1.5 HFSC的基因調(diào)控HFSC的基因調(diào)控過程相當(dāng)復(fù)雜，目前所知參與HFSC最主要的基因信號(hào)通路包括Wnt/β-連環(huán)蛋白、BMP、Shh及Notch等[8]。Wnt信號(hào)通路一般處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)微環(huán)境改變，如發(fā)生皮膚損傷時(shí)，Wnt基因表達(dá)的新Wnt蛋白激活隆突處的HFSC以修復(fù)損傷，在皮膚的重度燒傷和深度潰瘍時(shí)表現(xiàn)尤為明顯[9]。Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路是毛發(fā)再生的主要途徑，在毛發(fā)再生中首先被激活[10]。Wnt10b的過表達(dá)可將毛囊從靜止階段加速到頭發(fā)生長階段[11]。實(shí)驗(yàn)證明，Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)是毛發(fā)生長的誘導(dǎo)因子[12]。Wnt和β-連環(huán)蛋白在毛發(fā)的生長過程中會(huì)有相互作用，缺失β-連環(huán)蛋白可選擇性的抑制Wnt信號(hào)通絡(luò)。近年來研究者發(fā)現(xiàn)一種啟動(dòng)子TPA(12-O-Tetradecanoylphorbol-13-acetate)，可影響毛發(fā)的周期性生長[13]。TPA可通過激活Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路來促進(jìn)毛發(fā)的再生。抑制Wnt信號(hào)通路時(shí)，HFSC能夠分化為皮脂腺細(xì)胞和角質(zhì)形成細(xì)胞[14]。有報(bào)道稱，Wnt5a可抑制β-連環(huán)蛋白信號(hào)的激活[15]。BMP信號(hào)能夠調(diào)節(jié)發(fā)干和內(nèi)發(fā)根鞘的終末分化，也可以維持干細(xì)胞的慢循環(huán)特征。BMP信號(hào)主要是控制毛囊上部的干細(xì)胞。Shh是HFSC的第2信號(hào)通路，當(dāng)毛囊向下生長時(shí)，Shh離開隆突部，標(biāo)志著干細(xì)胞進(jìn)入休眠狀態(tài)。Notch是調(diào)節(jié)HFSC的重要信號(hào)分子，細(xì)胞通過Notch促進(jìn)受體與其配體結(jié)合，并根據(jù)微環(huán)境信號(hào)的變化調(diào)節(jié)Notch信號(hào)，實(shí)現(xiàn)干細(xì)胞的增殖分化[16]。從HFSC基因調(diào)控中我們得知，HFSC的分化是由其基因的調(diào)控所決定，由于HFSC基因調(diào)控的過程相當(dāng)復(fù)雜。筆者認(rèn)為在今后的研究中加大和深入對(duì)基因調(diào)控的認(rèn)識(shí)，對(duì)信號(hào)通路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性的干擾，使HFSC能夠迅速生長和精準(zhǔn)分化，為將來膀胱組織工程的發(fā)展帶來希望。

2 HFSC與膀胱損傷的修復(fù)

2.1 膀胱的解剖結(jié)構(gòu)和組織學(xué)特征膀胱是一個(gè)構(gòu)造復(fù)雜的中空器官，它由尿路上皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞以及一些血管和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等組成，它們之間相互作用為膀胱提供了正常的功能。膀胱壁固有層由在其上布滿的血管和神經(jīng)支配，功能性膀胱由3個(gè)提供協(xié)調(diào)排尿的平滑肌層組成。膀胱被一層結(jié)締組織外膜覆蓋，便于保護(hù)膀胱壁、血管和神經(jīng)。膀胱獨(dú)特的解剖結(jié)構(gòu)對(duì)組織工程膀胱提出了較高的要求，例如：①組織工程膀胱應(yīng)具有泌尿?qū)W動(dòng)力系統(tǒng)；②植入后的膀胱要有足夠的血管前狀態(tài)或擴(kuò)散血管的能力，以避免移植物的壞死；③移植物要有神經(jīng)支配，具有產(chǎn)生和接收信號(hào)傳導(dǎo)的能力等[17]。

2.2 組織工程學(xué)之外膀胱修復(fù)重建的材料與方式目前，終末期膀胱疾病的治療金標(biāo)準(zhǔn)是小腸膀胱成形術(shù)，這是一種利用腸道組織擴(kuò)大膀胱的外科手術(shù)，盡管腸膀胱成形術(shù)提供了功能上的改善，但仍然會(huì)產(chǎn)生不同的并發(fā)癥，如反復(fù)的尿路感染、代謝異常、結(jié)石形成和惡性腫瘤等[18]。

早期研究中，有研究人員使用類似膀胱形態(tài)的塑料模具作為膀胱重建的替代品，這些新膀胱主要由纖維組織組成，無有功能性的組織再生，可導(dǎo)致各種并發(fā)癥發(fā)生[19-20]。TSUJI等[21]用明膠海綿對(duì)膀胱缺損患者進(jìn)行了膀胱重建,給組織提供了更舒適的生長微環(huán)境，移植后膀胱容量有改善，但后期出現(xiàn)了嚴(yán)重的尿失禁。人類膀胱擴(kuò)大術(shù)的部分成功報(bào)道是使用甲醛保存的狗膀胱作為患者次全或根治性膀胱切除術(shù)后組織生長的臨時(shí)支架，假性膀胱雖然構(gòu)建時(shí)間相對(duì)較短內(nèi)，但隨著時(shí)間的推移容量逐漸減少，患者會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)尿失禁、膀胱輸尿管返流等癥狀[22]。

2.3 組織工程技術(shù)用于膀胱修復(fù)重建膀胱修復(fù)重建是泌尿外科醫(yī)生面臨的一大挑戰(zhàn)。組織工程技術(shù)的發(fā)展是膀胱修復(fù)重建的全系治療選擇，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用結(jié)果較好。使用脫細(xì)胞支架和細(xì)胞支架是組織工程進(jìn)行組織或器官再生的主要方法。脫細(xì)胞支架包括天然或合成的生物材料，能夠?yàn)榛颊咦陨砑?xì)胞的生長提供支持，刺激體內(nèi)自發(fā)生成細(xì)胞。細(xì)胞支架方法涉及生物材料和患者的自體細(xì)胞，需在體外創(chuàng)造新組織，并將其重新植入患者體內(nèi)，完成體內(nèi)的再生過程。

目前，在動(dòng)物模型中已經(jīng)使用了許多類型的干細(xì)胞和成體細(xì)胞來修復(fù)或再生組織，干細(xì)胞包括胚胎干細(xì)胞，誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞、脂肪干細(xì)胞、羊水干細(xì)胞等[23]。但是這些干細(xì)胞取材不易，并且牽扯到倫理問題，故受到了許多的應(yīng)用限制。成體細(xì)胞包括膀胱平滑肌細(xì)胞、膀胱尿路細(xì)胞、陰莖包皮表皮細(xì)胞、口腔角質(zhì)細(xì)胞等，但這些成熟的體細(xì)胞體外擴(kuò)增能力差、培養(yǎng)時(shí)間長，在運(yùn)用上受到了限制[24]。

2.4 HFSC用于膀胱修復(fù)重建研究表明，HFSC容易獲得，具有高附加值和多能性，是再生醫(yī)學(xué)中最好的干細(xì)胞來源之一。許多研究也證實(shí)了HFSC在膀胱再生中的作用[25]。HFSC可以分化成一系列的細(xì)胞類型，具有持續(xù)自我更新的特性，以取代正在經(jīng)歷凋亡的老化細(xì)胞[26-27]。故將HFSC用于臨床治療膀胱損傷性疾病成為可能。

運(yùn)用HFSC修復(fù)膀胱缺損的機(jī)制是把從體內(nèi)獲得的組織通過特殊的酶處理后，將種子細(xì)胞分離并進(jìn)行體外培養(yǎng)擴(kuò)增，再使擴(kuò)增的細(xì)胞與生物支架材料按一定比例融合，使細(xì)胞能夠很好的粘附在生物材料上，形成細(xì)胞-材料復(fù)合體，然后將復(fù)合物植入體內(nèi)組織或器官的受損部位，體內(nèi)的生物材料會(huì)逐漸降解和吸收，植入的細(xì)胞繼續(xù)在體內(nèi)增殖，最終形成相應(yīng)的組織或器官[28-29]。這些支架材料可以是天然的，也可以是合成的，支架植入體內(nèi)后可激發(fā)機(jī)體的自我修復(fù)能力，而且能夠引導(dǎo)生成新組織的生長位置。

近年來，膀胱脫細(xì)胞基質(zhì)在各種實(shí)驗(yàn)中顯示出了其優(yōu)于其他生物材料的特性，成為一種理想的生物支架材料[30-31]。接種細(xì)胞的同種異體脫細(xì)胞膀胱基質(zhì)已用于狗的膀胱擴(kuò)大，再生的膀胱組織中含有尿道上皮組織和平滑肌細(xì)胞等正常的組織或細(xì)胞，具有良好的相容性[32]。研究發(fā)現(xiàn)裝入細(xì)胞的支架要比未裝入細(xì)胞的支架組織再生能力更強(qiáng)，隨著研究的持續(xù)深入，這些基質(zhì)可能在膀胱替代方面有重要的臨床作用價(jià)值。

3 總 結(jié)

在過去的20年里，從簡(jiǎn)單的細(xì)胞、生物材料到更復(fù)雜的方法，膀胱組織工程領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化，盡管研究者仍在不斷進(jìn)行研究，但膀胱功能的改善尚未實(shí)現(xiàn)。雖然HFSC有助于緩解許多組織工程的限制，但由于缺乏對(duì)其生物學(xué)特點(diǎn)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，使得它們?cè)谠擃I(lǐng)域的應(yīng)用受到了不同程度地限制。膀胱組織工程需要多學(xué)科方法相互配合才能取得成功。膀胱復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)需要一個(gè)多因素的微環(huán)境，使得有必要進(jìn)行更多的研究。雖然HFSC給診療膀胱損傷性疾病帶來種子細(xì)胞與理論基礎(chǔ)，但是臨床診療效果還需進(jìn)一步探究。筆者希望在今后的研究中能夠進(jìn)一步理清HFSC的各種特性以及調(diào)控機(jī)制，為今后臨床一線的診療提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。