真皮乳头细胞促毛发生长和黑素生成的分子调节机制研究进展

孙 超，雷铁池

武汉大学人民医院皮肤科，武汉430060

皮肤借助上皮(表皮角质形成细胞)和间质(真皮乳头细胞)之间存在的复杂交互的信号调节，完成胚胎期毛囊形态发生和出生后周期性毛发更新[1- 3]。越来越多的证据表明真皮乳头细胞(dermal papilla cell，DPC)是一群位于毛球底部特化的间充质成纤维细胞，在毛发周期性更新过程中提供指令性信号，启动毛囊再生。本文主要综述DPC分泌的生长因子及其特征的分子标记并解析DPC促毛发生长和黑素生成分子调节机制的最新进展。

真皮乳头细胞及其促毛发生长活性

在立毛肌附着处毛囊的外毛根鞘稍向外膨隆部分(又被称作隆突区)被认为是上皮干细胞(epithelial stem cell，EpSC)和黑素细胞干细胞(melanocyte stem cell，MeSC)的栖息地[1]。在毛球的底部存在一群特化的间充质来源的DPC，一方面通过旁分泌的方式分泌多种细胞因子启动毛发生长和诱导黑素合成；另一方面DPC借助改变隆突区干细胞的微环境动态调节干细胞的增殖、分化和移行，确保毛囊能生长出着色均一的毛干[1，4]。在过去的10年，人们对DPC及其促毛发生长活性认识有了突破性进展[5]。在胚胎期毛发形态发生中，最早期的DPC并非源自事先预编程的特定细胞，而是来源于真皮成纤维细胞。在胚胎第12.5天(E12.5)上皮细胞增厚形成基板，基板细胞旁分泌成纤维细胞生长因子20(fibroblast growth factor 20，FGF20)刺激临近的成纤维细胞形成真皮致密细胞团。 这些细胞团又被视作最早期的DPC雏形[6]。Mok等[7]用单细胞转录组测序技术对分离纯化的DPC进行拟时分析，结果发现在成纤维细胞转化为DPC的细胞轨迹中可能存在3个亚群，即pre-DC、DC1和DC2亚群；同时，还发现与这3个细胞亚群相一致存在3个转录因子和信号分子上调波，早期上调波有3个因子(Twist2、Lef1、Smad3)，中期波有5个因子(Trps1、Tshz1、Foxd1、Prdm1、Sox18)，晚期波有5个因子(Hey1、Hes5、Glis2、Foxp1、Alx4)，这些转录因子基因敲除或突变小鼠毛囊真皮乳头发育异常，毛发或胡须稀少甚至缺乏，成纤维细胞转化为DPC后便失去了增殖能力。毛囊生长期DPC细胞数几乎是休止期的两倍[8]。既然DPC细胞不能增殖，那么在毛发生长周期中又是如何维持DPC细胞数目的相对稳定？ Rahmani等[9]通过构建真皮鞘(dermal sheath，DS)细胞特异性表达白喉毒素受体的转基因小鼠，选择性地杀伤DS细胞，结果发现清除DS细胞后小鼠毛囊真皮乳头明显萎缩，毛发再生延缓或困难。他们提出DS细胞内存在有一个细胞亚群，在每个毛囊周期都被保留着，且还能自我更新，补充休止期凋亡的DS细胞和DPC[9]。体内毛囊重组试验证实DPC的诱导毛发生长的能力与种属无关。小鼠DPC与人包皮角质形成细胞混合后移植至裸鼠的背部可诱导毛发再生[10]，培养的人DPC与小鼠表皮角质形成细胞混合也能诱导毛发再生[11]。因此，使用DPC的特异性分子标记，如碱性磷酸酶、多功能蛋白聚糖[4-5，8]、白细胞分化抗原133[6，12]、丝氨酸蛋白酶[5，13]等分离纯化和大规模体外扩增有诱导毛发生长能力的DPC[3-5，8，12- 15]，用于移植治疗人类脱发(尤其是瘢痕性秃发)已成为可能。

真皮乳头细胞调节毛发生长

在生长期，DPC与毛囊隆突区干细胞之间相距甚远，使DPC衍生的信号分子几乎不可能对隆突区干细胞产生作用。然而，休止期的DPC被向上牵拉抵达至隆突区干细胞的下方，DPC释放大量的可溶性生长因子或配体，如Wnt、骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)、FGF7等[16- 21]，以旁分泌方式诱导EpSC活化、增殖、分化和移行以及维持干细胞的干性，以自泌方式维持DPC自身的促毛发生长活性，促使毛囊休止期向生长期转换。BMP与Wnt信号平衡是诱导干细胞活化与维持其干性的关键。此外，还发现DPC产生两种具有拮抗作用的分子noggin(BMP抑制剂)和DKK1(Wnt抑制剂)，参与对这一信号平衡的精细调节[5]。近年研究表明，以下机制也参与对毛发生长的调节：(1)增加DPC数目。Chi等[22]用一种四环素控制的Tet-Off/On基因表达系统在DPC特异性表达白喉毒素基因制备转基因鼠，随后给小鼠喂食四环素选择性定量清除DPC，结果显示完全清除DPC的小鼠毛囊完全不能进入生长期；部分清除DPC，小鼠毛发明显变细或稀少，可能毛囊需要一个最小的DPC细胞数阈值以诱导毛囊进入生长期。DPC细胞数达不到这个最小的阈值，不能进入生长期。(2)DPC接近隆突区干细胞库。一旦毛囊进入退行期，真皮鞘细胞开始表达α平滑肌肌动蛋白，借助真皮鞘细胞收缩牵拉DPC向上靠近隆突区[23]；(3)减少隆突区淋巴引流。Gur-Cohen等[24]研究显示生长期被激活的上皮干细胞表达血管生成素样蛋白4，使包绕隆突区的毛细淋巴管瞬时解离、减少淋巴引流阻止细胞因子的流失。这些微环境改变支持和确保DPC分泌的细胞因子足以诱导毛囊进入生长期，合成新生毛发。

生长期毛囊由8层同心圆排列的上皮细胞组成，自内向外依次为毛干(髓质、皮质、毛小皮)、内毛根鞘(鞘小皮、Huxley’s层、Henle’s层)、外毛根鞘(伴随层和单层柱状细胞层)。单一的DPC群如何同时对这些具有不同形态特征的上皮细胞进行调节，这一现象令人困惑。Yang等[25]的研究回答了这个问题，他们用单细胞转录组测序分析生长期DPC，结果显示DPC有异质性，至少存在4个细胞亚群(C1～C4)，他们用免疫荧光和原位杂交技术对这4个细胞亚群在真皮乳头内的空间分布进行定位，结果显示在毛球中央的真皮乳头如同被拉长的细胞索链，其周围被来自隆突区EpSC的单谱系瞬时扩增细胞包绕。C1亚群位于真皮乳头的顶端，通过与其对应的单谱系瞬时扩增细胞交互作用诱导生成毛干细胞；C2和C3亚群居中，诱导内毛根鞘细胞生成；而C4亚群位于真皮乳头的底部，主要诱导外毛根鞘伴随层细胞生成。在不同的DPC亚群，BMP和Wnt信号分子表达水平存在差异，C1亚群高表达磷酸化smad1、碱性磷酸酶、FGF7，而低表达noggin(一种BMP抑制剂)；C2和C3亚群高表达axin2、FGF7、dkk2；C4亚群高表达dkk2和noggin。DPC的异质性对上皮细胞分化的差异化调节提供了基础。

真皮乳头细胞调节毛发着色

很早就观察到进入退行期毛囊，其毛球基质中的成熟黑素细胞发生凋亡[26]。当DPC在休止期末再次接近隆突区时，通过释放大量的干细胞因子和内皮素3等生长因子重新诱导MeSC增殖和分化[1，5]。同时，DPC还高表达丝氨酸蛋白酶和释放Agouti 信号蛋白调节黑素细胞膜表面的MC1R受体活性，导致优黑素/褐黑素类型的转换[5]。Zhang等[27]对体外培养的人毛囊DPC的分泌蛋白组学进行分析，结果显示具有凝集生长表型的DPC可分泌趋化因子12(CXCL12/SDF1)。同时，也有人发现在生长期未成熟的黑素母细胞高表达CXCR4(一种CXCL12的受体)，DPC通过活化CXCL12/CXCR4轴招募趋化黑素细胞移行进入生长期的毛球基质[28]。此外，MeSC微环境的变化也参与对毛发着色的调节。毛囊隆突区细胞高表达TGFβ1维持MeSC处于未分化状态。随着生长期毛囊向下延伸，MeSC摆脱隆突区TGF-β1抑制。一旦MeSC未离开隆突区即发生过早的异位分化，有可能造成隆突区干细胞库的耗竭导致白发[29]。Zhang等[30]研究显示持续的精神紧张与心理应激可导致支配隆突区的交感神经过度活跃，释放大量去甲肾上腺素，该神经递质能快速诱导MeSC增殖，造成干细胞库耗竭诱导白发，他们还在应激小鼠模型背部皮肤观察到交感神经支配越致密的部位，色素脱失毛发(白毛)数量也越多，给小鼠腹腔注射胍乙啶(一种降压药，能阻止交感神经末稍释放去甲肾上腺素)可阻止应激刺激导致的白毛生成。此外，在临床可观察到某些患者在接受胸外科手术后出现半身多毛，推测可能与手术损伤导致交感神经过度活跃有关。局部交感神经末梢释放大量去甲肾上腺素，在加速MeSC库耗竭的同时，还刺激了DPC促毛发生长活性[31]。

结 语

尽管在不同的生长周期毛囊结构发生动态变化，位于毛球底部的DPC始终与位于隆突区的干细胞库保持着联系。一方面不同DPC亚群通过分泌特定的生长因子调节上皮细胞增殖分化，形成多层同心圆排列的毛干和毛鞘；另一方面DPC还通过调节干细胞的微环境，譬如真皮乳头的大小、真皮乳头与隆突区的距离以及毛囊隆突区周围的淋巴与神经支配等协调完成对毛发生长周期的调节。DPC数目并非恒定不变，随着毛囊周期变化也会出现波动与消涨。已有研究表明真皮乳头附近的真皮鞘内存在干细胞亚群以补充新生的DPC。遗憾的是，DPC在体外传代培养时其促毛发生长活性会丧失。雄激素源性脱发患者的微型化毛囊、真皮乳头变小甚至萎缩[16]。目前，亟待寻找一种能维持促毛发生长活性的DPC培养方法，大规模获得DPC用于自体细胞移植治疗秃发患者[5]。