Nature：让一切不再“秃”如其来

　　是什么让90后甚至是00后孜孜不倦的护肤，勤勤恳恳地养生？夜晚就着枸杞蹦极，白天喝着黑芝麻上班？这一切都那么“发”人深省，引人深思。

　　难道是......脱发？

　　对于当代青年人来说，如何拯救自己头上那摇摇欲坠、随时准备移情别恋的脆弱发丝，已经比“今天吃什么”这个问题更加急迫了！根据2019某网购平台发言人微博公布的双11假发套成交数据显示：在所有购买假发套的人群中，90后是本届双11最“秃”出的群体，以42.41%的比率成为假发套购买主力军；而未满20周岁的00后，竟以8.36%的比率打败了奔六的60后们，位列第四。

　　第一批90后“已经秃了”早已不是新闻，我们打开知乎搜索“年纪轻轻就秃了应该怎么办？”即可感受到当代青年人对已故发丝的惋惜，甚至是扑面而来的脱发焦虑…

　　“拆东墙补西墙”的植发方法能补救秃顶吗？

　　什么是植发？植发通常是取人体后脑部位毛囊作为发源，经过分离成单株或多株毛囊单位，通过精细的显微外科技术，把毛囊单位移植到需要移植的部位，如头部、眉部、睫毛等，让其在新的部位存活、自然生长，从而达到修补局部毛发分布密度的目的，以达到美观的效果。其实植发也是一种“拆东墙补西墙”，达到掩饰的、视觉的头发茂盛效果。

　　早在16年前，美国著名脱口秀节目《今夜秀》的当家主持人Jay Leno就在节目中调侃道，“其实科学家早就已经治愈了秃顶，至少在小鼠身上实现了！”然而，来自美国哈佛医学院Karl R. Koehler研究组于近期在Nature杂志发表的一篇题为“Hair-bearing human skin generated entirely from pluripotent stem cells”研究，为日渐秃顶的少男少女带来了希望。该研究报道了一种可以直接从人类多能干细胞产生复杂皮肤的类器官培养体系，首次实现了在体外完成接近完整的真实皮肤的自组装，并成功将其用于体内皮肤的重建，该工作无疑是再生医学领域的一项重要突破，为治愈秃顶带来了希望[1]！Nature同期配发评论文章，高度评价了这项工作。

　　毛囊的再生竟是意外发现？

　　40多年来，世界各地的科学家和商业公司一直试图在实验室里重建人类皮肤。然而，所有这些产品都缺乏正常皮肤的重要组成部分——头发、神经和脂肪[2]。

　　这一新发现实际上是本篇文章的通讯作者Koehler在印第安纳大学研究内耳再造系统时所做的工作。然而，Koehler当时的目标是创造能感知听觉刺激的细胞，从而模拟听力丧失障碍，探索听力丧失和平衡障碍的基因疗法。在印第安纳大学，他用在正常胚胎发育过程中使用的化学物质和蛋白质的混合物，从而诱导的多能干细胞生成内耳结构。

　　由于内耳细胞在早期发育过程中处于萌芽状态，研究小组发现皮肤组织作为副产品形成了。“我们最初试图去除皮肤组织，认为它是讨厌的非靶组织，就像花园里的杂草，”Koehler回忆道，“令人惊讶的是，后来我们看到了长毛皮肤的科学价值，就改变了策略，试图消除内耳类器官，以利于皮肤的生长。”

　　在他们的净化尝试中，他们发现这些皮肤组织包含皮肤、表皮和真皮层。在培养过程中，竟能形成毛囊！

　　主要研究内容

　　1、体外诱导皮肤类器官的再生

　　这个近乎于真实皮肤的皮肤类器官建立的理论根基就在于要从人类多能干细胞中共诱导出表面外胚层细胞和间充质细胞，那么它具体是如何实现的呢？

　　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。研究人员首先用促进皮肤表皮层生长的生长因子（BMP4和TGF-β抑制剂）处理细胞，紧接着使用诱导皮肤层形成的其他生长因子（FGF2和BMP4抑制剂），诱导多能干细胞分化为球形类皮肤结构，脂肪细胞层也在此阶段形成。

　　人类的毛囊通常在妊娠的第8周至第10周之间发育形成。因此，研究人体在体外培养了70天后，发现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。

　　2、皮肤类器官具有一定的颅面部皮肤特征

　　随后，为了深入了解皮肤类器官中出现的细胞谱系，研究人员分别在分化一周和一个月后对WA25和DSP-GFP类器官进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）。数据结果显示 类器官细胞群可分为四类：上皮细胞、神经胶质细胞、间充质细胞和活性周期细胞。分化一周时的类器官以上皮细胞为主 （59%），并且主要来自解剖上不同的颅外胚层细胞群；而分化一个月后的类器官以间充质细胞为主（70%），进一步分析表明其可能发展出与下巴、脸颊和外耳皮肤相似的独特解剖特征。

　　3、再生组织具有明显的毛囊、色素沉着，且特征类似于婴儿的胎毛

　　培养超过100天后，从皮肤侧面观察发现，皮肤类器官的外观与18周人类胎儿皮肤相当。这里需要强调的是，这些类器官的毛囊通常带有色素，因此研究人体详细地研究了黑色素细胞的发育。在使用免疫染色和电子显微镜观察后，研究人员发现类器官毛囊具有独特的毛囊细胞层，与正常成人毛囊中髓质层不同（髓质层是成人终末毛囊的特征），这表明皮肤类器官产生的毛囊更倾向于是婴儿的胎毛。

　　4、动物模型移植人来源的皮肤类器官

　　研究人员进一步进行了动物实验，研究人员使用免疫缺陷小鼠——裸鼠进行皮肤移植，以避免免疫排斥反应的发生。他们在裸鼠背部皮肤上1 mm-2 mm的小切口中植入WA25皮肤类器官时，发现皮肤类器官表皮可与宿主表皮融合，类似于真正的人类皮肤一样，毛发可以垂直长出，并且未出现溃疡或其他肿瘤样生长失控的迹象，由此表明囊性皮肤类器官可以在伤口处展开并整合成平面皮肤。

　　研究局限性

　　显然这研究发现对皮肤修复、伤口愈合、脱发等医学难题的治疗有正面意义，然而对皮肤工程研究，还尚未结束。该研究的作者在文章的末尾提到，在这种治疗方案成为现实之前，还有一些待解决的问题。

　　（1）首先，皮肤可以在体外进行自我组装的时长需要140天，接近体外培养的极限，对于亟需皮肤移植的患者（如烧烫伤患者），如何缩短140天培育期？

　　（2）其次，免疫排斥是一个重大的问题，正常成人不同于免疫缺陷小鼠，异种来源的皮肤组织如何避免免疫排斥反应的发生？

　　（3）第三，头发如何有效繁殖？需要多少个细胞才能形成毛囊以移植？

　　（4）最后，多功能干细胞可能一定的发育为肿瘤细胞潜能，后续工作还需减少使用多功能干细胞，用成体干细胞代替。

　　研究意义

　　虽然，毛囊再生还存在需要问题待解决，然而《Nature》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”。

　　综上，本研究利用表面外胚层细胞（即表皮前体细胞）包裹的间充质细胞（即真皮前体细胞）组成的三维囊性结构，实现了自我组织并模拟对毛囊发育至关重要的细胞间信号传递机制，成功建立了一个能够用来研究皮肤及其附属结构发育的细胞动力学的类器官模型，该模型近乎完美的重现了人类皮肤系统的结构和分子机制。未来将其用于一系列遗传性皮肤病和癌症的研究，可有助于加速药物的发现。此外，通过对脱靶细胞谱系的额外控制，该皮肤类器官也可实现皮肤烧伤或其他皮肤伤口患者的含附属结构皮肤的重建。

　　参考文献：

　　[1] Lee J， Rabbani C C， Gao H， Steinhart M R， Woodruff B M， Pflum Z E， Kim A， Heller S， Liu Y， Shipchandler T Z， et al. Hair-bearing human skin generated entirely from pluripotent stem cells. Nature. 2020， 582 (7812)： 399-404.

　　[2] Abaci H E， Coffman A， Doucet Y， Chen J， Jacków J， Wang E， Guo Z， Shin J U， Jahoda C A， and Christiano A M. Tissue engineering of human hair follicles using a biomimetic developmental approach. Nat Commun. 2018， 9 (1)： 5301.