Nature:科學家培養可長出毛髮的人造皮膚

2004年,當美國科學家首次從成年小鼠皮膚分離出的幹細胞培育出毛囊時,美國脫口秀節目《The Tonight Show》的前主持人Jay Leno開玩笑說,科學家“至少…治療了小鼠的禿頭”。16年後的現在,發表於《Nature》期刊上的Lee等研究者已經從人類幹細胞中再生了毛囊。

 

Nature》特別邀請了美國賓州大學醫學院皮膚科Leo L. Wang博士與皮膚科主任George Cotsarelis教授,就此成果發表了他們的觀點。

他們認為:「這一成就使我們更有機會產生無限量的毛囊,可利用將其移植到稀疏或沒有頭髮的人的頭皮上作為治療方法。此外,如果這種方法到達了診所,那麼患有傷口、疤痕和遺傳性皮膚病的人將可以獲得革命性的治療。」George Cotsarelis教授在接受新聞媒體採訪時也表示,他相信這項研究會是解決掉髮問題和毛髮移植很重要的里程碑。

研究第一作者Lee與其他科學家證實,類器官(人造皮膚)可以移植到免疫缺陷小鼠體內且能生長出頭髮。這表示它們最終是有機會可以移植到人類頭皮上。

 

小鼠背部長出人類毛髮

科學家對皮膚組織的研究始於1975年。當時,一向具有里程碑意義的研究發現,角質形成細胞可以從皮膚表層分離並在體外培養。約十年後,從燒傷患者身上分離出的角質形成細胞,並開始使用於皮膚移植,以挽救生命。為使皮膚組織工程更進一步,移植皮膚必須包含更多正常皮膚的組成部分,例如毛囊、黑色素細胞、汗腺、神經、肌肉、脂肪、免疫細胞和表皮細胞等。美國哈佛大學醫學院等機構的研究皆是聚焦於此。

哈佛醫學院耳鼻喉科助理教授Karl Koehler、研究助理Jiyoon Lee和其同事證實,類器官培養系統再仔細優化生長條件後,能夠力用人類多能幹細胞生成皮膚類器官。

研究作者參考來自幹細胞生物學和毛囊發育領域的研究來生成接近完整的皮膚類器官,像是在實驗室中生長的自我組成組織,可以模仿發育中的皮膚。類器官樣體已被模仿出各種器官,包括腸,肺,腎和腦。器官由許多細胞類型組成,而類器官通常由多能幹細胞形成,它們具有形成所有成年細胞類型的能力。這些可以是胚胎幹細胞或誘導性多能幹細胞,它們是透過將成年細胞重編程為類胚胎狀態而產生。

他們利用人類多能幹細胞培養的皮膚類器官在培養4-5個月後,形成了多層皮膚組織,包含毛囊、皮脂腺以及神經迴路。將其移植到免疫功能不全的小鼠(以確保移植物不會被動物的免疫系統排斥)的背上皮膚後,55%的移植物上長出了2-5mm的毛髮,這表示該類器官能夠與小鼠的表皮融合,形成含有人類毛髮的皮膚。

Lee及其同事發現,它們的類器官表達的基因具有下巴,臉頰和耳部皮膚的特徵。有趣的是,頭皮上的真皮細胞也可能來自神經嵴。這表示類器官實際上可能模擬了頭皮皮膚,藉由改變細胞生長的培養條件,也可以調整實驗方案以生成具有不同身體部位特徵的皮膚。

毛髮結構

 

70天進入生髮階段

表皮和真皮是皮膚的另一個主要成分,它們來自早期胚胎中的不同細胞類型。Lee與其他研究員優化了從人體多能幹細胞產生的皮膚類器官(包含兩種成分)所需的培養條件,並依序向幹細胞添加了生長因子。 首先,他們使用BMP4和轉錄因子TGF-β的抑製劑誘導表皮的形成。接下來,他們用生長因子FGF2和BMP抑製劑處理細胞,以誘導顱神經嵴細胞的形成,進而形成真皮。

細胞生長在一個球體中。超過70天後,開始出現毛囊,最終產生了毛髮(圖1)。大多數頭髮被黑色素細胞染色,黑色素細胞也從顱神經嵴細胞發育而來。與毛囊相關的組織(例如皮脂腺,神經及其受體,肌肉和脂肪)也同步發育,進而形成非常完整的皮膚。然而,唯一缺少的一種成分是免疫細胞,其通常位於毛囊內和周圍,並且在皮膚中具有多種作用。

【圖1】皮膚在體外生長,有望作為未來的臨床療法。作者在體外將人類多能幹細胞培養成球形的類皮膚結構,稱為類器官。為此,他們先用促進皮膚表皮層生長的生長因子(BMP4和TGF-β抑製劑)處理細胞,然後再用誘導皮膚層形成的其他生長因子(FGF2和BMP4抑製劑)處理細胞。 脂肪細胞層也在此階段形成)。長時間潛伏期(超過70天)後,在類器官中形成了完整的皮膚細胞補體,包括大約50個毛囊。當類器官被植入皮膚時,毛囊自然會以正確的方向定向。這些類器官可能被用於治療脫髮和遺傳性皮膚疾病,並促進傷口癒合。

該小組的類器官將是分析各種生物途徑在皮膚發育中的作用的一項理想工具-小分子抑製劑或抑制性RNA分子可用於阻斷蛋白質或途徑,並研究對皮膚生長的影響。類器官可以與全基因組關聯研究或其他遺傳數據結合使用,以分析特定的遺傳突變如何改變皮膚發育,它們還可以幫助對皮膚和頭髮的疾病進行建模,並對實驗藥物的任何毒性及其功效進行篩選。

 

生長效率等問題尚未解決

除了這些體外益處之外,作者還證明了類器官在體內具有治療潛力。這是一個令人興奮的消息,將有機會透過引入皮膚類器官至傷口來促進癒合和防止疤痕,或將它們移植到缺少頭髮的區域。

然而,在這種治療方法成為現實之前還存在幾個問題。例如,頭髮要如何有效地繁殖?需要移植多少個細胞最終才能形成毛囊? 作者們透過展示一個單獨的實驗室可以在相同的培養條件下用類器官生髮來回答第一個問題,但是處理單個幹細胞之間和來自不同人的幹細胞之間的變異性是一個艱鉅的挑戰。

類器官形成毛囊所需的時間延長,模仿了胎兒皮膚的發育。與此相似的情況是,皮膚在卵泡開始生長之前都會經歷一個潛在的“靜止”階段。然而,類器官準備移植需要花費140天的時間,這可能會阻礙這個治療方法的潛力,例如:燒傷的人需要即刻進行皮膚移植。

在實際應用之前,仍有許多部分需要再做調整,像是在這個研究中生長出的頭髮很小,但將來要實際應用之前,需要更進一步優化培養條件來形成合理大小的頭皮毛髮。且未來的工作可能需要遠離多能幹細胞的使用,因為多能幹細胞可能具有不良副作用,例如促進腫瘤形成等。最有可能的的替代方法是使用成體幹細胞。

儘管研究還有許多可優化之處,Lee及其同事還是在“治愈”人類禿髮這個領域已邁出的重要一步,並為其他更深的治療可能性鋪了路。

 

參考資料:
1. Regenerative medicine could pave the way to treating baldness
2. Lee, J. et al. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-020-2352-3 (2020).

 

 

Ying Chang

作者

Ying Chang

曾在醫療相關領域工作三年,包含醫療耗材、檢測服務、扶持計畫等。希望能將更多生醫知識和即時消息分享給關注健康醫療的你們!

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