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

皮膚是一個復雜的器官，包含超過 50 種不同的細胞類型，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重皮膚毀損而住院。生物工程化人體皮膚構建體（human skin constructs, HSC）的產生，為這些患者提供了具有相當應用潛力的皮膚替代療法，并允許研究人員對皮膚病進行人體相關藥物的篩查工作。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，其在體溫調節(jié)、屏障功能和傷口愈合中起作用。

圖｜皮膚及毛囊結構（來源：bing）哥倫比亞大學 Angela M. Christiano 教授領導的研究團隊，通過在 HSCs 中引入誘導多能干細胞（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)學和臨床前藥物測試中的應用潛力。通過一些列實驗，他們發(fā)現(xiàn)一種名為乳頭狀細胞（DPC）的高度特化間充質細胞，對于毛囊形態(tài)發(fā)生和維持其生長必不可少。先前的研究已經證實，通過完整的乳頭狀細胞和上皮細胞的皮內移植可誘導小鼠人類毛發(fā)的生長。然而，將這一概念轉化為可行的治療策略需要大量的人類乳頭狀細胞，由于在 2D 體外培養(yǎng)中，乳頭狀細胞對毛發(fā)的誘導和支持作用會快速喪失，因此引發(fā)了許多挑戰(zhàn)。Angela M. Christiano 團隊的研究表明，乳頭狀細胞在三維環(huán)境下培養(yǎng)可以恢復原有的誘導和支持功能。

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)境中細胞的三維構象，在人類皮膚構建體內產生大量可用的人類毛囊。研究人員利用 3D 打印技術的獨特功能來創(chuàng)建具有高長寬比的結構，這是以前的微加工技術無法實現(xiàn)的打印結構。這一方法可使乳頭狀細胞自聚成三維立體結構，促進其發(fā)揮表皮-間充質作用，進而誘導在體外人類皮膚構建體中形成毛囊。此外，具有毛囊的人類皮膚構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)農場：一個正確圖案化的頭發(fā)網格，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無限量供應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，“新方法擴大了所有患者的頭發(fā)移植的可能性，包括美國3000萬正經歷頭發(fā)稀少的女性和年輕男性，頭發(fā)移植手術將不再受供體毛發(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毛發(fā)的生長，這表明 JAK-STAT 信號傳導通路是維持處于毛囊干細胞（HFSC）的靜止狀態(tài)所必需的。Angela M. Christiano 的研究結果顯示，白介素-6 家族中的制瘤素 M（OSM）可通過 JAK-STAT5 信號通路來負調節(jié)毛發(fā)生長，進而維持毛囊干細胞的靜止狀態(tài)。制瘤素 M 受體或 STAT5 的基因缺失可誘導過早的毛囊干細胞活化。單細胞 RNA 測序顯示，制瘤素 M 并不是毛囊本身固有的，而是 TREM2 + 巨噬細胞的一個子集，其在毛囊干細胞活化之前死亡。這些結果表明，體內抑制巨噬細胞功能足以誘導毛囊干細胞的增殖和其毛發(fā)的生長。

綜合以上兩個研究進展，Angela M. Christiano 團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打印技術打造出生產頭發(fā)的“花盆和土壤”，再利用 JAK-STAT 信號傳導通路的抑制劑產生生產頭發(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行頭發(fā)移植手術。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。隨著研究的進一步進行，脫發(fā)和禿頂所帶的困擾將進一步縮小。