近日，來自哥倫比亞大學(xué)的研究人員首次實(shí)現(xiàn)了人類毛囊細(xì)胞在實(shí)驗室條件下的完全生長，并利用 3D 打印技術(shù)“打印”了毛囊細(xì)胞生長所必須的微環(huán)境，這為大面積“栽培”人類毛囊細(xì)胞提供了可靠的技術(shù)支持。同時，研究人員還開發(fā)了抑制毛囊發(fā)育生長關(guān)鍵信號通路——JAK-STAT 通路的新型抑制劑，可最大程度地打破毛囊細(xì)胞的“休眠狀態(tài)”，大大促進(jìn)毛囊細(xì)胞的生長速度。這幾項研究成果分別發(fā)表于 Nature communications 和 Cell Stem Cell 雜志。

皮膚是一個復(fù)雜的器官，包含超過 50 種不同的細(xì)胞類型，包括核心表皮、真皮和皮下組織，以及其他部分。每年有 600 多萬患者因在熱和壓力損傷、慢性糖尿病潰瘍或遺傳性水皰性皮膚病引起的嚴(yán)重皮膚毀損而住院。生物工程化人體皮膚構(gòu)建體（human skin constructs, HSC）的產(chǎn)生，為這些患者提供了具有相當(dāng)應(yīng)用潛力的皮膚替代療法，并允許研究人員對皮膚病進(jìn)行人體相關(guān)藥物的篩查工作。目前可用的HSC仍然具有顯著的局限性，包括長期存活性差和缺乏附屬物，例如毛囊，其在體溫調(diào)節(jié)、屏障功能和傷口愈合中起作用。

圖｜皮膚及毛囊結(jié)構(gòu)（來源：bing）哥倫比亞大學(xué) Angela M. Christiano 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊，通過在 HSCs 中引入誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）來源的脈管系統(tǒng)來改善皮膚移植物的活力。但他們在先前的研究中發(fā)現(xiàn)，將毛囊摻入工程化的HSCs仍然是一項重大挑戰(zhàn)，并限制了它們在再生醫(yī)學(xué)和臨床前藥物測試中的應(yīng)用潛力。通過一些列實(shí)驗，他們發(fā)現(xiàn)一種名為乳頭狀細(xì)胞（DPC）的高度特化間充質(zhì)細(xì)胞，對于毛囊形態(tài)發(fā)生和維持其生長必不可少。先前的研究已經(jīng)證實(shí)，通過完整的乳頭狀細(xì)胞和上皮細(xì)胞的皮內(nèi)移植可誘導(dǎo)小鼠人類毛發(fā)的生長。然而，將這一概念轉(zhuǎn)化為可行的治療策略需要大量的人類乳頭狀細(xì)胞，由于在 2D 體外培養(yǎng)中，乳頭狀細(xì)胞對毛發(fā)的誘導(dǎo)和支持作用會快速喪失，因此引發(fā)了許多挑戰(zhàn)。Angela M. Christiano 團(tuán)隊的研究表明，乳頭狀細(xì)胞在三維環(huán)境下培養(yǎng)可以恢復(fù)原有的誘導(dǎo)和支持功能。

圖｜3D打印的毛囊“花盆”（來源：Nature communications）在這項研究中，Angela M. Christiano 提出了一種創(chuàng)新的仿生方法，通過重現(xiàn)人類毛囊微環(huán)境中細(xì)胞的三維構(gòu)象，在人類皮膚構(gòu)建體內(nèi)產(chǎn)生大量可用的人類毛囊。研究人員利用 3D 打印技術(shù)的獨(dú)特功能來創(chuàng)建具有高長寬比的結(jié)構(gòu)，這是以前的微加工技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的打印結(jié)構(gòu)。這一方法可使乳頭狀細(xì)胞自聚成三維立體結(jié)構(gòu)，促進(jìn)其發(fā)揮表皮-間充質(zhì)作用，進(jìn)而誘導(dǎo)在體外人類皮膚構(gòu)建體中形成毛囊。此外，具有毛囊的人類皮膚構(gòu)建體中具有豐富的血管形成，其增加了毛囊移植物的存活率，并且使得研究人員能夠在小鼠身上大量培育人類的毛囊組織。Angela Christiano 說道，“我們基本上可以創(chuàng)建一個頭發(fā)農(nóng)場：一個正確圖案化的頭發(fā)網(wǎng)格，可以將它們移植回同一個患者的頭皮上”。據(jù)稱整個過程能夠以可允許范圍內(nèi)無限量供應(yīng)毛囊的速率生長毛囊，而不需要來自供體的毛發(fā)移植物。Angela Christiano 也表示，“新方法擴(kuò)大了所有患者的頭發(fā)移植的可能性，包括美國3000萬正經(jīng)歷頭發(fā)稀少的女性和年輕男性，頭發(fā)移植手術(shù)將不再受供體毛發(fā)數(shù)量的限制”。

圖丨在免疫小鼠身上“種”出的人類毛囊（來源：Nature communications）該團(tuán)隊的另一個主要發(fā)現(xiàn)近期刊登在 Cell Stem Cell 雜志上，他們發(fā)現(xiàn)通過局部施用JAK抑制劑，可在靜息小鼠毛囊中誘導(dǎo)毛發(fā)的生長，這表明 JAK-STAT 信號傳導(dǎo)通路是維持處于毛囊干細(xì)胞（HFSC）的靜止?fàn)顟B(tài)所必需的。Angela M. Christiano 的研究結(jié)果顯示，白介素-6 家族中的制瘤素 M（OSM）可通過 JAK-STAT5 信號通路來負(fù)調(diào)節(jié)毛發(fā)生長，進(jìn)而維持毛囊干細(xì)胞的靜止?fàn)顟B(tài)。制瘤素 M 受體或 STAT5 的基因缺失可誘導(dǎo)過早的毛囊干細(xì)胞活化。單細(xì)胞 RNA 測序顯示，制瘤素 M 并不是毛囊本身固有的，而是 TREM2 + 巨噬細(xì)胞的一個子集，其在毛囊干細(xì)胞活化之前死亡。這些結(jié)果表明，體內(nèi)抑制巨噬細(xì)胞功能足以誘導(dǎo)毛囊干細(xì)胞的增殖和其毛發(fā)的生長。

綜合以上兩個研究進(jìn)展，Angela M. Christiano 團(tuán)隊從兩個方面解決了制備“頭發(fā)工廠”的兩大障礙。首先利用3D打印技術(shù)打造出生產(chǎn)頭發(fā)的“花盆和土壤”，再利用 JAK-STAT 信號傳導(dǎo)通路的抑制劑產(chǎn)生生產(chǎn)頭發(fā)的“肥料”，這兩項研究可大大加快人工再生毛囊的臨床應(yīng)用步伐。在臨床可用之前，研究人員需要做更多的工作來優(yōu)化和商業(yè)化流程，但創(chuàng)新的影響非常廣泛。這項開發(fā)可以幫助男性尋找頭發(fā)稀疏稀少的解決方案。Christiano 還表示，這項創(chuàng)新將幫助大量不同的患者進(jìn)行頭發(fā)移植手術(shù)。人工毛囊還可以被制藥工業(yè)用來篩選新毛發(fā)生長藥。由于無法在實(shí)驗室培養(yǎng)皿中培養(yǎng)人毛囊，新發(fā)藥物的高通量篩選一直受到阻礙。目前，僅有兩種被批準(zhǔn)用于治療脫發(fā)的藥物——非那雄胺（finasteride）和米諾地爾（minoxidil）——這兩種藥物最初是被用來治療其他疾病的。隨著研究的進(jìn)一步進(jìn)行，脫發(fā)和禿頂所帶的困擾將進(jìn)一步縮小。