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治疗头秃的希望!干细胞制造人类皮肤迎来重要突破

时间: 2020年06月04日 | 作者: Admin | 来源: 学术经纬
最新研究中,科研团队利用人类多能干细胞培养出的皮肤类器官,经过4-5个月,不但形成了皮肤特有的多层组织,更重要的是包含了毛囊、皮脂腺和神经回路,接近完整的真实皮肤。

  顶尖学术期刊《自然》今天在线发表的一篇研究论文中,美国波士顿儿童医院(Boston Children’s Hospital)主导的一支科研团队带来了利用干细胞制造人类皮肤的重要进展。利用人类多能干细胞(iPSC)培养出的皮肤类器官,经过4-5个月,不但形成了皮肤特有的多层组织,更重要的是包含了毛囊、皮脂腺和神经回路,接近完整的真实皮肤。


  研究人员相信,这项发现不仅可以帮助科学家研究人类皮肤的发育,更有望为那些受脱发、疤痕或遗传性皮肤病之苦的人带来革命性的治疗。



  不起眼的毛孔,巨大的挑战


  先来仔细看看皮肤。这是一种复杂的多层器官,主要由表皮层和真皮层组成,包括了毛囊、皮脂腺等各种附属结构。毛囊和皮脂腺的开口——毛孔,虽然不显眼,甚至还被一些爱美人士“嫌弃”,但要知道它们对于皮肤的功能极为重要,参与体温调节、体液维持、介导触觉及疼痛感知等各种过程。如果没有这些附属结构,皮肤也就难以正常地出汗、分泌油脂,以及长出毛发。


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▲毛囊、皮脂腺等“附件”对皮肤的功能十分重要(图片来源:123RF)


  研究作者在论文中指出,出于研究和临床的目的,用包括了真皮细胞和表皮细胞的培养系统在体外重建人类皮肤已有40多年的历史,然而,有一个艰巨的难题一直未能解决,那就是在体外培养系统中长出含有功能性附件的皮肤。


  类器官培养系统带来突破


  在这项研究中,Karl Koehler教授及同事利用类器官(organoids)培养系统做出了突破,从人类多能干细胞出发,培育出具有各种皮肤特征的结构。


  由于皮肤的表皮和真皮在发育时来源于不同的细胞类型,为了从多能干细胞中培养出包括这两种成分的皮肤类器官,研究人员仔细优化了培养条件,分步添加生长因子,先后诱导出表皮前体细胞和真皮前体细胞。


  这些细胞长成了球体。70多天后,球体中开始出现毛囊,每个球体出现了近50个毛囊。与此相关的皮脂腺、神经、肌肉和脂肪也逐渐发育。经过4-5个月的培养期,这些类器官具有明显的表皮层和真皮层,而且含有毛囊、皮脂腺和紧密连接的神经回路。


▲体外类器官培养流程(图片来源:参考资料[2])

▲体外类器官培养流程


  研究人员用单细胞RNA测序等方法分析了体外培养的皮肤类器官。与胎儿标本比较来看,这些皮肤类器官与18周的胎儿面部皮肤相似。


▲体外培养140天的皮肤类器官发育特征与18周胎儿的面部皮肤相似(图片来源:参考资料[2])

▲体外培养140天的皮肤类器官发育特征与18周胎儿的面部皮肤相似


  除了体外分析外,研究人员进一步通过动物移植实验,展现了这些新造皮肤的治疗潜力。


  他们在免疫缺陷小鼠(以确保移植物不会被动物的免疫系统攻击)的背部皮肤中植入了培养的皮肤类器官。这些类器官不仅能够与小鼠表皮融合,在伤口处形成平面皮肤,而且其中55%的移植物继续生长,长出了2-5毫米的毛发。


 ▲移植到小鼠背部的皮肤类器官,像真正的人类皮肤那样,长出了黑色的毛发(图片来源:参考资料[1])

 ▲移植到小鼠背部的皮肤类器官,像真正的人类皮肤那样,长出了黑色的毛发


  未来的发展


  《自然》同期的专文评述对这项研究给予了高度评价,认为“这项工作具有巨大的临床转化潜力”,为治愈秃顶的难题迈出了一大步。尽管在实现应用之前还需要解决很多问题,比如再生的效率和培养的时间等,但“我们相信这个希望终将成为现实”。