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頂尖學術期刊《自然》今天在線發表的一篇研究論文中，美國波士頓兒童醫院（Boston Children’s Hospital）主導的一支科研團隊帶來了利用幹細胞製造人類皮膚的重要進展。利用人類多能幹細胞（iPSC）培養出的皮膚類器官，經過4-5個月，不但形成了皮膚特有的多層組織，更重要的是包含了毛囊、皮脂腺和神經迴路，接近完整的真實皮膚。
研究人員相信，這項發現不僅可以幫助科學家研究人類皮膚的發育，更有望為那些受脫髮、疤痕或遺傳性皮膚病之苦的人帶來革命性的治療。
不起眼的毛孔，巨大的挑戰
先來仔細看看皮膚。這是一種複雜的多層器官，主要由表皮層和真皮層組成，包括了毛囊、皮脂腺等各種附屬結構。毛囊和皮脂腺的開口——毛孔，雖然不顯眼，甚至還被一些愛美人士「嫌棄」，但要知道它們對於皮膚的功能極為重要，參與體溫調節、體液維持、介導觸覺及疼痛感知等各種過程。如果沒有這些附屬結構，皮膚也就難以正常地出汗、分泌油脂，以及長出毛髮。
▲毛囊、皮脂腺等「附件」對皮膚的功能十分重要（圖片來源：123RF）
研究作者在論文中指出，出於研究和臨床的目的，用包括了真皮細胞和表皮細胞的培養系統在體外重建人類皮膚已有40多年的歷史，然而，有一個艱巨的難題一直未能解決，那就是在體外培養系統中長出含有功能性附件的皮膚。
類器官培養系統帶來突破
在這項研究中，Karl Koehler教授及同事利用類器官（organoids）培養系統做出了突破，從人類多能幹細胞出發，培育出具有各種皮膚特徵的結構。
由於皮膚的表皮和真皮在發育時來源於不同的細胞類型，為了從多能幹細胞中培養出包括這兩種成分的皮膚類器官，研究人員仔細優化了培養條件，分步添加生長因子，先後誘導出表皮前體細胞和真皮前體細胞。
這些細胞長成了球體。70多天後，球體中開始出現毛囊，每個球體出現了近50個毛囊。與此相關的皮脂腺、神經、肌肉和脂肪也逐漸發育。經過4-5個月的培養期，這些類器官具有明顯的表皮層和真皮層，而且含有毛囊、皮脂腺和緊密連接的神經迴路。
▲體外類器官培養流程（圖片來源：參考資料[2]）
研究人員用單細胞RNA測序等方法分析了體外培養的皮膚類器官。與胎兒標本比較來看，這些皮膚類器官與18周的胎兒面部皮膚相似。
▲體外培養140天的皮膚類器官發育特徵與18周胎兒的面部皮膚相似（圖片來源：參考資料[2]）
除了體外分析外，研究人員進一步通過動物移植實驗，展現了這些新造皮膚的治療潛力。
他們在免疫缺陷小鼠（以確保移植物不會被動物的免疫系統攻擊）的背部皮膚中植入了培養的皮膚類器官。這些類器官不僅能夠與小鼠表皮融合，在傷口處形成平麵皮膚，而且其中55%的移植物繼續生長，長出了2-5毫米的毛髮。
▲移植到小鼠背部的皮膚類器官，像真正的人類皮膚那樣，長出了黑色的毛髮（圖片來源：參考資料[1]）
未來的發展
《自然》同期的專文評述對這項研究給予了高度評價，認為「這項工作具有巨大的臨床轉化潛力」，為治癒禿頂的難題邁出了一大步。儘管在實現應用之前還需要解決很多問題，比如再生的效率和培養的時間等，但「我們相信這個希望終將成為現實」。
題圖來源：Pixabay
參考資料[1] Jiyoon Lee et al., (2020) Hair-bearing human skin generated entirely from pluripotent stem cells. Nature. DOI: 10.1038/s41586-020-2352-3[2] Leo Wang & George Cotsarelis (2020)
Hair-bearing skin grown in a dish. Nature Doi: https://doi.org/10.1038/d41586-020-01568-2