PNAS：擁有飄飄長發的頂級攻略

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解析作者｜唧唧堂醫學與自然科學研究小組Chanda 婉揚；審校編輯｜Minyue，Runsong

脫髮、頭髮稀疏、禿頭？不用再害怕，無需等太久，你也可以擁有長發飄飄。

本文是針對《新生皮膚的組織形成中自身組織刺激恢復成熟細胞的毛髮再生的策略（Self-organization process in newborn skin organoid formation inspires strategy to restore hair regeneration of adult cells）》的一篇論文解析，該論文於2017年8月發表在《PNAS》上，作者為Mingxing Lei、Linus J. Schumacher、Yung-Chih Lai等人。

研究背景與問題的提出

為什麼你的頭髮濃密，而我的頭髮稀疏，脫髮、禿頭竟是遺傳？還是有其他隱情？皮膚是如何發育成毛囊並最終長出毛髮的？Mingxing Lei等人給出了答案，即許多老年人不長頭髮，是因為成人細胞逐漸失去再生能力。而且他們發現了能夠使成年小鼠細胞再次產生毛髮的方法，未來很可能在臨床上得到應用，成為脫髮及禿頭患者的福音。

實驗方法

研究者將分離的新生小鼠皮膚細胞與成熟皮膚組織作為分析對象，將最初形成毛髮組織的新生小鼠皮膚細胞移植到裸鼠體內，從成百上千3D培養延時成像的影像中分析細胞行為。

研究者通過阻止特定基因的活性以確認其在毛囊形成中的作用，確定了哪種基因在何時活性增加並確定在毛囊中這種活性增加的具體位置。

結果

研究者通過詳細的3D培養延時成像的影像中分析細胞行為，觀察到這些細胞通過六個不同的階段最後形成毛囊：1）遊離的細胞；2）聚集的細胞；3）胞；4）合併胞；5）分層的皮膚；6）有毛囊的皮膚。這些毛囊被移植到小鼠的背部能產生毛髮。相反成年小鼠中分離的皮膚細胞在分離後的發育中只能達到第二相——聚集，不能產生毛髮。

實驗流程和觀察到的毛囊形成的六個階段

研究者通過仔細研究這些發育過程，獲得了促進皮膚細胞形成毛囊併產生毛髮的分子，然後對轉錄組進行分析，揭示了粘附分子、生長因子、Wnt蛋白和基質金屬蛋白酶（MMPs）的順序表達。在不同時間，功能攝動有規律的從一相轉移到另一相來讓人們識別其作用。相反的，來自小聚集的成熟細胞，則在體內不作用。比較轉錄組分析表明，抑製成人細胞的表皮分化至關重要。這些結果啟發了可以恢復形態轉變和讓成年毛囊形成毛髮的策略：（1）連續抑制PKC；（2）及時供應生長因子（IGF, VEGF）和Wnts、MMPs。然後將促進分子添加到從成年鼠皮膚細胞中獲得的、已經停止生長的毛囊中去。通過提供正確的分子，其能夠刺激這些成年的毛囊細胞繼續發育，從而產生毛髮。

討論

研究者發現表皮與真皮(E:d)細胞的比率影響表皮細胞的聚集。與表皮細胞和真皮細胞(1：9)的組合形成相比，當只有表皮細胞培養時，有非常小的聚集形成，這表明自我組織的過程是真皮細胞的作用。研究者假設更高的E:d比率會導致更大的聚集。出乎意料的是，更高的E:d比率會導致更小的聚集形成，反之亦然。成年細胞不能自我組織。當成年鼠細胞在平行的混合細胞重組試驗中被使用時，表皮細胞只會形成少量的小聚物，不會生長，如免疫抑制特定的標記物。將E:d細胞比率降低到1：30，會產生更大的聚合體，在第4天中，會發生末端分化，並不能合併。用不同的E:d比率將這些成年細胞移植到裸鼠的數量上，與新生的老鼠細胞的強健毛囊再生相比，產生的毛髮很少。這些分析表明，在這個實驗中，來自新生小鼠的細胞在自我組織和組織再生方面的能力比來自於成年小鼠的細胞更大，而且細胞的自我組織能力是預測組織再生的必要條件。

研究者進一步證實，表皮細胞是表皮細胞自組織的需要。研究者進行了重組試驗，包括新生的表皮細胞和成人真皮細胞(ne+ad)和新生的真皮細胞+成人表皮細胞(nd+ae)。結果表明，「nd+ae」組經歷了一個與新生鼠細胞相似的自我組織過程。表皮細胞在第一天形成小聚集，在第3天變得更大，形成囊腫。局部囊腫在第4天發生合併，在第7天形成一個雙層的表皮層。然而，來自ne+ad組的表皮細胞在第1天形成非常小的聚集物，在第3天不能進一步極化，在第4天合併，最終導致第7天的分化。當移植到裸鼠身上時，而與之形成了大量毛髮的nd+ae組相比，這些細胞的毛髮很少。

表皮細胞核真皮細胞重組試驗

研究者添加抑製劑到PKC中保持細胞處於未分化狀態。然後我們按順序添加三個類別的分子:在最初加入IGF和VEGF，之後在第一天加入Wnt3a和Wnt10b重新結合蛋白（這種因子能在新生細胞中具有擴大聚集數量和增加聚集速度，以及在成人細胞中減少表達的功能），之後在第三天加入MMPs促進加速聚集。結果表明添加因子重新結合蛋白致使出現更大的聚集數量。研究者確定了多個積極和消極的調控模塊，指導皮膚細胞形成過程中形態轉變的進展。認為連續的相移過程是成功自我組織的關鍵。更普遍的說，分離的細胞可以自我組裝，形成許多可能的多細胞結構(細胞聚集，囊腫，管道，薄片，和其他的構型)，在每個階段，激活劑和抑製劑作為一個反饋控制來阻止早期的階段並啟動下一個階段。因此，如果沒有進展到囊腫階段，單純的細胞聚集是沒有用的。

環境重編程成年毛囊細胞的效果

總之，由於成人細胞逐漸失去再生能力將不再生長頭髮，而且研究者發現，在特定時間增加一些生長因子能夠使成年小鼠細胞再次產生毛髮。在未來，這項工作可以為脫髮及禿頭患者提供刺激頭髮生長的新策略。

參考文獻：

Mingxing Lei、Linus J. Schumacher、Yung-Chih Lai.(2017,August 11).Self-organization process in newborn skin organoid formation inspires strategy to restore hair regeneration of adult cells. PNAS

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