近日，來自哥倫比亞大學的研究人員首次實現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）來源的脈管系統來改善皮膚移植物的活力。但他們在先前的研究中發(fā)現，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)現近期刊登在 Cell Stem Cell 雜志上，他們發(fā)現通過局部施用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。