2014年1月6日

毛囊幹細胞

毛髮是哺乳動物身上小而美的器官,其內特有的毛囊幹細胞源自於表皮,在毛囊形成後提供毛髮週期生長的細胞來源,也能夠分化出皮脂腺和表皮。

作者:王維宏、范邁儀(就讀台灣大學醫學工程研究所)、林頌然(任職台灣大學醫學工程研究所暨台大醫院皮膚部)

在西遊記中,孫悟空拔起他身上的一根毛,吹一口氣,整根毛便化為千千萬萬個分身,幫助孫悟空一起對抗敵手。在這古老的故事裡面,其實蘊藏著生生不息的寓意。在現實生活上,隨便拔起的一根毛,看似無足輕重,卻也如同小說情節一樣,隱藏著無限的生機。在動物的演化過程當中,毛髮扮演著非常重要的角色。它能夠保持體溫的恆定、幫助動物偽裝躲避敵人,以及保護我們避免受外在環境的侵擾與傷害。特別在人類,美觀也是毛髮一項重要的功能。

何謂毛囊幹細胞
毛囊是產生毛髮的基本單位,而毛髮就是由毛囊內的細胞生長分化而來。每根毛囊裡面住著一群毛囊幹細胞,她像是毛囊內所有細胞的媽媽,提供新的細胞給生長中的毛囊,這些新生的細胞可以不斷的生長分化成毛髮,使毛髮變長。除了產生毛髮,毛囊幹細胞同時也可以分化成為皮脂腺,產生皮膚所需要的油脂。當表皮受到傷害的時候,毛囊幹細胞也可以派出細胞移動到表皮的位置,並且分化成表皮細胞,修復傷口。由以上的例子可以知道毛囊幹細胞具有多重分化的潛能,能夠分化成皮膚的表皮與皮膚的附屬器。同時毛囊幹細胞也能夠自我補充(self-renewal),而且有較慢的分裂速度(slow cycling)。在廣義的定義上,我們可以稱這種能夠分化,並且可以自我補充的毛囊細胞為毛囊幹細胞。

毛髮的結構
正在生長的毛囊的橫切面呈現一個同心圓的結構,最中間是髮幹,往外一圈是內根鞘,再往外是外根鞘,外根鞘的外面有一個結締組織包覆著整個毛囊的結構。以縱切面來看,生長期的毛囊會產生毛囊球(hair bulb)的結構(圖一),裡面包覆著一群特化的纖維母細胞,稱作真皮乳突細胞。在毛囊的上半部,外根鞘的位置,有一個較厚鼓起的構造(bulge),那就是毛囊幹細胞所在的位置。這個結構不會隨著毛囊在生長期或休止期而消失,是一個永久存在的結構;而生長期才會有的毛囊球結構在毛囊停止生長時就會退化,因此毛囊的結構會因毛髮在生長期或是休止期而有所改變。
圖一:毛囊的基本構造。

(A)處在生長期的小鼠毛囊根部,中間深色的地方是髮幹,向外分別是內根鞘與外根鞘,在髮幹的底部有一群形態跟附近很不一樣的細胞,就是真皮乳突細胞。
(B)在休止期的小鼠毛囊結構,休止期的真皮乳突細胞在真皮的位置,這時毛囊幹細胞處於冬眠的狀態,細胞在此時不會增生,毛髮也不會變長。

誰才是毛囊幹細胞?
毛囊幹細胞的發現,是利用去氧核醣核酸(DNA) 的類似物, 溴化去氧尿苷(BrdU),來區分快速分裂的細胞以及分裂慢的細胞。當染色體在複製的時候會將BrdU 嵌到染色體中;而當細胞進入到下一個週期開始進行下一次的染色體複製的時候,BrdU 的含量會被稀釋成一半;因此分裂快的細胞稀釋得越快,而分裂慢的細胞保有BrdU 的時間會比較長。在毛囊裡,也可分為分裂快的細胞和分裂慢的細胞,這群分裂慢的細胞會一直保有BrdU 在染色體內,而分裂快速的細胞很快的把BrdU 稀釋掉。利用這個原理科學家發現這群分裂慢的細胞會出現在毛囊內特定的位置:就在皮脂腺的下方接近豎毛肌與毛囊相接處。之後的研究也發現這群分裂慢的細胞的後代將來會分化成為毛髮,因此這個區域被認為是毛囊幹細胞存在的位置。

隨著現代分子生物學的進步,科學家發現毛囊幹細胞會表現具有特異性的抗原,例如CD34、K15、CD200 等等, 藉由這些標誌我們可以專一性的分離出這群細胞進行研究。透過這樣的研究,科學家進一步發現毛囊幹細胞也會表現某些轉錄因子(transcription factor) 如Tcf3/4、Nfatc1、Sox9 等等,這些轉錄因子分別負責不同的功能,有些會抑制毛囊幹細胞的分化,有些則會調控幹細胞自我補充的能力。由此可知毛囊幹細胞在行為上是一群分裂次數較少的細胞,它只有在特定的時期才會進行分裂,平常的時候則處在細胞週期的G0時期,細胞呈現出類似的狀態。毛囊幹細胞會表現特異性的表面抗原,而且會受到特定的轉錄因子來調控幹細胞的分化和複製。

毛囊的發育
毛囊的產生原始於表皮。在發育的早期,表皮和真皮之間是平整的結構,但是在表皮和真皮的交互作用下,局部表皮會增厚,形成一個基板(placode)的結構。這隆起的基板會轉向往真皮侵入,侵入的表皮細胞會形成毛釘(hair peg)以及之後毛胚(hair germ)的結構,此時相鄰於毛胚的間質細胞會漸漸特化成真皮乳突細胞。來自表皮的毛胚之細胞會受到真皮乳突細胞的影響漸漸的分化出外根鞘(outer root sheath)、內根鞘(inner root sheath)、基質細胞(matrix cell)和髮幹(hair shaft),最後產生一個成熟的毛囊(圖二)。而表皮細胞從毛胚慢慢發育成成熟的毛囊這個過程中,在毛胚開始有一小群細胞表現毛囊幹細胞特有的轉錄因子,這一小群細胞開始移動到將來毛囊幹細胞存在的位置,最後變成毛囊幹細胞。在這繁複的發育過程當中,許多重要的生長因子都參與在其中;例如wnt family、TGF family、Notch、Eda、sonic hedgehog 等都扮演著相當重要的角色。它們控制著發育早期表皮和真皮之間的交互作用,直接影響毛囊的發育。若這些與發育有關的因子發生突變,則毛囊的發育會產生缺陷,嚴重者整個毛囊的結構會消失;若這些跟發育有關的因子作用太強,會產生異位性的毛囊增生;過多的wnt 表現在表皮細胞,則會產生複製性的老化,最後毛囊幹細胞會消失殆盡。
圖二:不同發育時期的表皮與真皮結構。

(A)胚胎發育第十四天的小鼠皮膚,表皮與真皮的交界很平整,表皮還沒分化出角質層和皮膚的附屬器。
(B)毛釘時期(Hair peg stage),表皮細胞開始增生並且往真皮的方向侵入。
(C)毛胚時期(Hair germ stage),毛囊更深入到真皮層內並且誘導纖維母細胞變成真皮乳突細胞。

毛囊的發育以小鼠為例,小鼠身上至少有四種長短粗細及形狀不同的毛髮,小鼠發育時並不是同時間產生所有的毛囊,而是分成三個階段;第一階段在胚胎發育時期的14天左右,產生的是較為粗大的針毛(guard hair);第二階段大約在胚胎時期的17 天左右,產生的是較細的錐毛∕彎毛(awl/auchene hair);第三階段大約在出生第一天,產生的是有兩個轉折彎曲的曲毛(zigzag hair)。整個小鼠的毛囊幹細胞在出生後的第5 天之後開始停止分裂,並且開始特化,大約到出生後第17 天毛囊發育結束。毛囊的發育就是從無到有的一個過程,接下來,毛髮開始進入生生不息的毛髮週期(hair cycle)。

週而復始的毛髮週期
毛髮的長度有它的極限在,一根毛不能夠無限的延長,而毛的長短則和毛囊的生長週期有關。當一個毛囊完成了一個生長週期之後,會稍作休息,之後在同一個毛囊內再長出第二根毛髮,舊的毛髮會自然脫落,或是藉由物理性的拉扯而掉落。這個生長與休眠再到掉落的週期性構成了毛髮的生長週期。此生長週期會不斷的循環直到生命結束。
圖三:毛髮週期。

休止期:毛囊內的細胞處於不分裂的狀態,毛髮也不會變長。
生長期:毛囊內的細胞大量分裂複製,毛髮快速生長,幹細胞只會在生長期前期分裂,再由分裂後的細胞去完成整根毛囊的生長與分化。
衰退期:分化後的毛囊細胞大量死亡,整個毛囊下半部的結構往毛囊幹細胞的地方萎縮,之後會產生次級毛胚的結構,而真皮乳突細胞會緊鄰次級毛胚,又回到休止期。

毛髮週期可以分為生長期(anagen)、衰退期(catagen)、以及休止期(telogen)。生長期的特徵就是毛囊幹細胞的活化,這個時候的毛囊幹細胞和次級毛胚(secondary hair germ)會開始不斷的增生,往皮下組織的方向生長。而次級毛胚開始活化、增生、包覆住真皮乳突細胞的時間又比毛囊幹細胞活化更早一些。到了生長期的中期,毛囊幹細胞便停止分裂,進入了冬眠的狀態,長毛的工作就交由分化出來的外根鞘、內根鞘、和基質細胞負責,這些細胞最終要分化出具有毛鱗片的結構來構成我們肉眼可見的髮幹。當毛囊裡的細胞不斷增生並分化,髮幹的長度也會隨著變長,最後伸出表皮外,便是我們所看到的毛髮的部分。人類頭髮的生長期平均可維持2~5 年,到了生長期的晚期時,毛髮的生長趨緩,黑色素的生成也下降,因此我們可以看到髮根是白色的。過了生長期之後則進入衰退期,這個時期的毛髮不再變長,並且毛囊裡的細胞開始進行程序性凋亡(apoptosis),最後留下毛囊幹細胞和真皮乳突細胞,而髮根會從皮下組織被往上推擠到毛囊幹細胞的附近。當細胞凋亡停止之後則進入休止期。休止期的毛囊處於一個冬眠的狀態,只有等待到適當的刺激之下才會再度活化,進入下一輪的生長期。這些刺激毛髮生長的蛋白包括了wnt family、TGF-beta、FGF family 等,也因此這些生長因子被視為啟動毛囊幹細胞活化的重要因子。除了生長因子外,在皮膚上的小創傷、拔毛都有可能誘導毛囊幹細胞的活化,顯示毛囊幹細胞有可能也受到其他細胞激素(cytokine)的影響。此外,性荷爾蒙也是調控毛囊發育以及毛囊週期的重要因素之一,這也是為什麼到了青春期後開始長鬍鬚、腋毛與陰毛。因此毛囊其實會受到多重因子的影響,同時也可能會反映了我們的身體狀態。

誰在頭髮上了色?
在毛囊幹細胞所在的位置,除了毛囊幹細胞本身之外也住著黑色素幹細胞。我們可以利用黑色素幹細胞特有的一些分子標誌如Dct、Mitf 找到它在毛囊中的位置。黑色素幹細胞也會隨著毛髮的生長週期而活化及分化,最後隨著毛髮週期進入衰退期而隨著基質細胞一起退化。也因此科學家們認為毛囊幹細胞和黑色素幹細胞的週期很可能是透過類似的機制來誘導,並且毛囊幹細胞、真皮乳突細胞、與黑色素幹細胞這三者之間會產生交互作用。當黑色素細胞活化後會開始分泌黑色素,這些黑色素會嵌入我們的毛鱗片當中使頭髮看起來有顏色。而髮色則取決於真黑色素(eumelanin)以及褐黑色素(pheomelanin)的相對量,真黑色素的含量越多則毛色越黑,褐黑色素越多則偏紅。黑色素對於我們來說也是非常的重要,它是最天然的物理性防曬劑,可以幫我們吸收過多的紫外線,保護皮膚中細胞的DNA不會受到紫外線傷害。
圖四:頭髮的顏色取決於真黑色素與褐黑色素的相對量,
真黑色素含量越多則毛色越黑,褐黑色素越多則偏紅。

頭髮的顏色也會隨著年齡以及身體狀況而有所變化。目前認為細胞內過多的自由基將會使細胞的活性減低,甚至受損。當黑色素幹細胞的活性或是含量下降的同時,黑色素的產量也會減少,而使髮色呈現灰白色。

毛髮再生
「毛髮再生」在組織工程上是一個很重要的議題,原因是皮膚或毛髮的細胞較容易取得,並且在臨床應用上有很高的價值,例如利用細胞培養出大量的真皮乳突細胞來促進毛髮再生。
很多疾病以及物理性、化學性因子會造成毛囊或毛髮的傷害(圖七),比如說雄性禿、深度的燒燙傷、外傷、發炎……等。這些傷害除了會影響毛囊幹細胞之外,也有可能會傷害到真皮乳突細胞。若是失去了真皮乳突細胞,毛囊幹細胞就不會活化。由此可知,若要促進毛囊再生,毛囊幹細胞與真皮乳突細胞是缺一不可的!
圖五:毛囊再生的模型——腔室法(chamber assay)。

(A)在免疫不全的裸鼠背上剪開一個傷口,利用矽膠製的模型在背上製造一個腔室,再將新生鼠的角質細胞混合真皮乳突細胞注射到腔室內,讓免疫不全鼠血液中的營養提供毛囊再生所需要的環境。
(B)將矽膠腔室移植到小鼠背上的實際情況。
(C)約2~3 週後將腔室取下,可以看見新生的毛囊。
(D)新生毛囊的近照。

圖六:毛囊再生的模型——皮下培養法(patch assay)。

(A)將新生鼠的角質細胞以及真皮乳突細胞,利用注射的方式注射到老鼠的皮下,藉由老鼠體內的環境提供細胞存活,真皮乳突細胞和角質細胞產生交互作用後會誘導毛髮再生。
(B)約二到三週後將皮膚掀開可以看見新生的毛髮。

圖七:皮膚上的外傷有可能會傷及毛囊幹細胞與真皮乳
突細胞;若真皮乳突細胞受損,毛囊幹細胞將無法活化。

利用新生鼠的表皮與真皮細胞,互相混合之後注入免疫不全小鼠的皮下,可以重建一個新的毛囊(圖五、圖六),由此可知新生鼠的表皮與真皮具有較佳的形成毛囊之能力。單獨存在真皮細胞或表皮細胞則不會形成毛囊,也證實了表皮與真皮的確需要彼此之間的交互作用才能產生毛囊與毛髮。利用組織工程的概念,將角質細胞與培養過的真皮乳突細胞在高分子材
料上進行混合,可以培養出類似毛囊樣的結構,移植到免疫不全鼠的體內也能夠誘導毛囊的新生,顯示了利用組織工程的方式的確有辦法誘導培養過的細胞產生毛髮。目前科學家也積極的研究如何能提高毛囊的產率,及控制新生毛囊的大小、密度、排列、方向、生長週期及顏色。雖然離臨床應用還有一段距離,但只要能克服目前的難關,對需要植髮的患者將是莫大的福音。

毛囊幹細胞於再生醫學的應用
毛囊幹細胞的優點就是比起其他器官的幹細胞更為容易取得。在我們拔下來的毛髮當中,很有可能便含有毛囊幹細胞,同時,現今毛囊幹細胞於體外培養的技術也漸趨成熟,故我們只需要少量的毛囊幹細胞,就可以進行大量的培養。也因此,毛囊幹細胞在再生醫學的應用上具有相當大的潛力,例如需要進行大面積植皮手術的病患,以及植髮的病患。

除了修復的功能外,有科學家利用體細胞植入的方式將毛囊幹細胞打入胚胎中,發現毛囊幹細胞可以如同桃莉羊的例子,產生轉基因動物,此項發現更為直接的證明毛囊幹細胞在適當的條件下有機會轉化為全能幹細胞。

結語
近年來有關毛囊幹細胞的研究有著非常蓬勃的發展,人類對於毛囊幹細胞相關知識的累積越來越充分,這同時也有助於我們對於其他成體幹細胞的研究。除了幹細胞本身外,毛囊這個迷你的器官也告訴我們,成體幹細胞也會和鄰近細胞產生一些交互作用。研究這些細胞之間的交互作用,將能夠促進毛囊或是其他器官於再生醫學上的應用。或許有一天,人類真的能
如同孫悟空一樣,利用毛囊幹細胞複製出千千萬萬個自己。「一花一世界,一沙一天堂」,你是不是也在這小小的毛囊裡體會到了無限的生命力呢?

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