皮肤再生医学相关技术在皮肤科学的应用前景
杨扬 梁晓博
[摘要]人表皮干细胞主要来源于表皮，尤其在皮肤创伤后修复和再生方面具有十分重要的功能和作用。皮肤再生医学是再生医学的重要组成部分，也是皮肤科学与再生医学的交叉学科，是两者的完美结合。作为皮肤再生医学的主要特色，表皮干细胞相关技术、基因治疗及3D生物打印等前沿技术的研究和应用在一定程度上弥补和解决了当前和未来皮肤科学治疗领域，尤其在重症皮肤疾病和严重皮肤创伤等治疗方面的局限与不足，它们也是皮肤科治疗领域发展最有潜力的治疗技术。虽然皮肤再生医学仍会面临诸多问题和挑战，但其未来发展前景广阔。
[关键词]皮肤再生医学;表皮干细胞;基因治疗;3D生物打印
[中图分类号]R751 ? ?[文献标志码]A ? ?[文章编号]1008-6455（2019）07-0170-03
Application Prospect of Correlation Technique of Skin Regenerative Medicine in Dermatology
YANG Yang，LIANG Xiao-bo
（Department of Dermatology，the No.8th Medical Center of the PLAGH， Beijing 100091， China）
Abstract： Human epidermal stem cells mainly are derived from epidermis and play an important role in its function and effect on the skin repair and regeneration after skin wound. The skin regenerative medicine， an important component of regenerative medicine， is a cross discipline of dermatology and regenerative medicine.As the major special feature of skin regenerative medicine， researching and applying the advanced technology of epidermal stem cells， gene therapy and 3-dimensional bioprinting can solve and make up for insufficiency of therapeutics on dermatology currently and in the future， especially in severe cases and skin wound. They are the best potential therapic technology on dermatology. Although there are also a lot of problems and challenges， the skin regenerative medicine has a great prospect for its development.
Key words：skin regenerative medicine; epidermal stem cell; gene therapy; 3D bioprinting
皮肤是人体最大的器官，其结构与功能具有高度復杂性，在保护人体内环境稳定和阻止外界有害物质入侵方面发挥着极其重要的作用[1]。其中，表皮中存在大量的表皮干细胞，其功能强大，在维护皮肤正常生理功能，特别是在皮肤创伤和修复方面具有重要作用和意义。皮肤再生医学作为再生医学的一个重要分支，尤其是表皮干细胞（ESCs）相关技术、基因治疗及3D生物打印等前沿技术在当前和未来皮肤科治疗领域上已经越来越受广泛关注和重视，在相关基础研究与临床应用上具有巨大的发展空间和潜力。本文结合国内外相关研究成果及笔者自身专业方向就上述治疗技术在皮肤科学的应用前景综述如下。
1 ?表皮干细胞及其相关功能
ESCs主要位于人体表皮基底层和毛囊部，是一类具有多潜能分化的细胞，也是皮肤再生医学治疗领域中具有关键作用的功能性干细胞。其表观遗传学状态通常不固定，可在一定生理或病理条件下分化和增殖为角质形成细胞和成纤维细胞等细胞类型。在正常表皮内稳态下，位于表皮不同部位的ESCs维持着适应不同部位需要的分化谱系，维护正常的表皮内稳态。Yamada等[2]发现，滤泡间表皮干细胞（IFE-SCs）自身高度表达构成表皮基底膜的层黏连蛋白-332（laminin-332），后者缺失可影响体外培养的三维表皮正常结构的构建。在病理或皮肤创伤情况下，ESCs可被活化并发生自我增殖和分化，从而发挥皮肤修复和再生的功能。Oda等[3]发现，当皮肤损伤时，ESCs最先被激活并增殖，随后其子代迁移并分化促进受损的表皮再生。在严重皮肤创伤时，表皮干细胞可进行功能性互换，以促进创伤局部皮肤再生。该作者进一步研究发现，维生素D受体（VDR）基因敲除小鼠在长期给予低钙饮食后，其皮肤中ESCs自我更新和迁移功能明显受损，ESCs及子代的与钙黏附蛋白E（E-cadherin）相关的表皮分化功能明显受损，且与β-连环蛋白信号相关的皮肤创伤后细胞活化过程明显变缓。Wang等[4]早期发现，当各种原因导致人体大面积皮肤创伤而缺乏足够的自体皮片或因异体/异种皮免疫排斥反应而需再度植皮时，可利用ESCs进行自体培养，并应用于缺损创面达到修复和再生，或利用体外培养ESCs制作功能性人工复合皮肤，后者可进一步移植在动物模型皮肤创面上。作者进一步发现，通过ESCs增殖及分化生成再生的表皮组织进而覆盖和修复皮肤创面，并未发现明显排斥反应;ESCs本身可通过各种复杂信号途径作用于成纤维细胞，调控其在瘢痕形成过程中的作用和影响，抑制或减少瘢痕形成。随后，Chen等[5]研究发现，在创伤修复和瘢痕形成过程中，小鼠表皮ESCs中Jag1、Notch1和Hes1的表达上调;Jag1的表达与肌成纤维细胞（MFB）的分化呈正相关。相反，Jag1基因敲除小鼠表皮其创伤愈合明显延缓并促进瘢痕愈合。而滤泡间表皮干细胞（IESCs）与维持表皮再生密切相关，如在不同的皮肤移植术中，IESCs及其前体可加速移植皮片的愈合过程[6]。ESCs还具有一定分化与迁移能力。Zhang等[7]发现，烧伤创面内ESCs中CD271表达增高，而过表达CD271不但可增强ESCs的分化、增殖和迁移能力，还可抵抗其自身凋亡，进而进一步提高烧伤治愈率，因此可作为临床皮肤烧伤的一种新的治疗选择。Lataillade等[8]认为，使用培养的自体移植物（CEA）有助于严重大面积烧伤患者的治疗和修复。其中，CEA中ECSs可大量活化并进一步分化为角质形成细胞（MC）使皮肤再生，进一步填充和修复受损的皮肤组织，促进皮肤创面修复。此外，ESCs还具有其他重要的生理功能。Cheng等[9]研究发现，位于小鼠皮肤毛囊隆突部的机械感觉披针形复合体（LCs）与神经发生和局部感觉密切相关。在毛发生长周期的各个阶段，ESCs可表达和产生一系列特殊的细胞外基质并紧密包盖LCs，同时通过产生一种特殊的微生态，形成一种稳定的毛囊-披针形复合体接口，进一步调控毛囊与皮肤神经系统的相互作用。
2 ?皮肤科治疗领域的局限性
目前，皮肤科学主要着眼于通过合适的医疗技术或手段来诊治各种常见、疑难性皮肤疾病以及发现和探讨少见、未知的皮肤疾病。随着循证医学、个体化治疗模式向精准医学的进一步发展，现阶段皮肤科学在治疗领域上已与激光美容医学、皮肤整形外科学完美融合，形成自己独特的发展模式。然而，针对各种累及大面积且难以修复的皮肤疾病，如某些严重皮肤创伤及各种原因导致皮肤原发或继发性缺损及部分重症皮肤疾病等的治疗，仅单纯依靠某些特效药物、物理治疗包括光疗、美容激光以及皮肤整形外科等常规治疗技术仍达不到最佳治疗效果，其预后也并不理想，且这些治疗方法有可能会给患者及其家庭造成较大负担与痛苦，因此，在一定程度上仍是当前和未来皮肤治疗领域亟待解决的重大难题。笔者认为，鉴于上述可能的情况，皮肤科学的未来发展极有可能会与再生医学有机结合，从而促进了皮肤再生医学的产生与发展，进一步弥补和解决当前和未来皮肤科学在某些治疗与修复领域的局限与不足。
3 ?皮肤再生医学的概况和应用前景
3.1 皮肤再生医学的概况：再生医学（Regenerative medicine）主要是通过研究和应用各种有效而精准的基础和临床治疗技术包括干细胞相关技术用以替代或再生人体内部各种细胞、组织或器官以修复或维持其正常生理功能的一门重要的前沿学科[10]。皮肤再生医学（Skin regenerative medicine）是当前再生医学与皮肤科学的完美结合，它作为皮肤科学和再生医学的交叉学科，属于再生医学的一个重要分支，主要研究和应用人体皮肤来源的干细胞尤其是ESCs，通过各种前沿的基础与临床治疗技术特别是基因治疗技术，在体外进行所需皮肤组织和细胞的培养、活化及扩增，利用干细胞的增殖、分化等功能修复、替代和促使患病或缺损的皮肤组织再生，进而重建、改善和维持皮肤中各组织的正常结构和生理功能[11]。通过不断发展和自我完善，相对于皮肤科其他现有治疗和相关技术而言，皮肤再生医学在未来皮肤科相关治疗领域中的应用将日趋成熟，也会对皮肤科学相关治疗领域的发展具有重大应用价值和指导意义。
3.2 应用前景：总的来说，皮肤再生医学的应用前景广阔，尤其是利用分子生物学和基因工程技术等研究和构建自体ESCs来源的人工皮肤并应用于皮肤科临床上各种现有治疗技术无法解决问题和困难，包括巨大的良、恶性肿瘤切除术后、严重大面积烧烫伤及长期慢性炎症或感染等导致皮肤大面积缺损的再生，各类难治性皮肤溃疡和瘢痕的修复等以及研究和探索皮肤科临床上某些罕见、疑难性皮肤疾病的进一步治疗。
目前，皮肤再生医学已逐渐向精准医学方向发展，特别是从基因及分子水平进一步研究和探索皮肤组织再生的治疗策略。“基因治疗”由此孕育而生，即通过具有恰当功能或改变遗传特性的基因插入到人体的靶细胞包括表皮干细胞中，以达到校正或者改善细胞中缺陷或突变基因进而修复和维持正常组织结构和功能的目的，并促使生物学水平上相关蛋白质的合成[12]。“基因治疗”在当前和未来皮肤再生医学治疗领域都具有相当重要的地位和作用。例如：遗传性大疱性表皮松解症（DEB）属于大疱性表皮松解症（EB）的一种类型，临床上以外伤后皮肤及皮肤黏膜出现水疱或大疱为主要特征，预后较差。本病的發生主要与表皮内相关编码基因如角蛋白5或14（K5/14）、BP180、COL7A1等的结构和功能突变密切相关[13]。近期，Vanden Oever和Peking等[14-15]均提到，通过基因替代和剪辑技术以及来源于患者自身的诱导性多能干细胞，如间充质干细胞等联合应用可在一定程度上治疗重症的遗传性大疱性表皮松解症或其他严重的遗传性皮肤疾病，现正在进一步临床研究中。坏疽性脓皮病（PG）是另一种严重影响患者生活质量的皮肤疾病，主要累及皮肤，形成复发性、疼痛性、坏死性的潜行性溃疡，反复发作、长期不愈。目前认为本病可能是一种免疫相关疾病，通常与其他系统性疾病合并发生[13]。基于PG最新治疗理念，Teagle等[16]认为基因治疗虽然不作为PG的单一治疗方法，但可联合相关药物进行综合治疗以获得治疗该病的最佳疗效。因此，作者研究在体外将β-半乳糖苷酶报告基因（lacZ）通过转基因技术转染到HaCaT细胞（一种角质形成细胞）中，同时给予相关治疗药物（如氢化可的松、甲氨蝶呤和英夫利昔单抗）干预后进行lacZ报告基因转染率的测量。然后发现，在同等条件（培养基和pH值等）下，转染报告基因3d后，分别测得：氢化可的松可提高HaCaT细胞中lacZ基因的转染率，甲氨蝶呤可降低其转染率，英夫利昔单抗对其转染率的影响无显著统计学差异。通过相互比较认为，应用基因治疗联合某种或多种相关药物干预的方法可能作为未来治疗PG的最佳治疗途径而供选择。另有研究发现，应用TGF-β3转基因的骨髓间充质干细胞治疗可显著改善皮肤创面愈合及降低创面瘢痕组织形成，提示该疗法对软组织损伤后瘢痕组织形成可能具有一定潜在治疗作用[17]。在皮肤再生过程中，光合生物材料可通过生产可嵌合的动植物组织进而产生和提供氧进入血液循环，从而解决了再生医学中因缺氧导致人造组织使用的局限性问题。该材料不但具有安全性和有效性，也可载有通过基因修饰的工程微藻类，后者可作为血管内皮生长因子等具有血管生成的重组蛋白质的载体，作为组织再生的基因治疗技术发挥重要作用[18]。Mo等[19]研究在体外利用静电纺丝技术（electrospinning）将相关药物与质粒DNA双重递药系统“焊接”在一起，通过一系列复杂装配过程后，形成生物相容性极好的纳米纤维复合物（PLGA/CNC/Cur/pDNA-ANG），再移植入受感染的皮肤Ⅲ度烧伤创面并获得成功，认为该方法既可抑制局部感染，又可促进受损皮肤的再生和修复。
与此同时，Varkey等[20]提到了针对皮肤再生和修复的另一种前沿技术，即3D生物打印技术（3-dimensional bioprinting）。该技术通过计算机辅助（CAD）技术，将活细胞包括ESCs等沉积在水凝胶支架上，再根据实际情况使所需组织或器官成分模式化进而促进复合组织结构形成。3D生物打印技术实际上可以在体内或体外进行，通过对不同CAD文件的恰当更换，让所需的生物材料在支架上层层叠加，最终完成来自不同需求的个性化治疗。其中，完成精确的生物打印需要五个关键步骤：①完成所需靶组织的扫描/成像;②利用图像输出，通过计算机辅助制造（CAD-CAM）软件做出相应模型;③根据需要打印的组织，选择生物支架和一种或多种细胞类型;④应用生物打印机进行打印;⑤促使被打印的组织发育成熟[21]，这种技术在未来的器官移植和皮肤创伤修复及再生治疗领域具有极大的应用潜力。
雖然ESCs相关技术、基因治疗及3D生物打印等前沿技术对皮肤再生医学的发展具有巨大推动作用，但我们也要从客观上考虑到，上述治疗技术尤其是基因治疗也存在一定风险性和不可预知性，因此，仍在不断研究和探索中，但从长远发展来看，它的确是皮肤再生医学治疗领域中最具潜力的前沿技术。
4 ?结论与展望
ESCs相关技术、基因治疗及3D生物打印等前沿技术在皮肤再生医学治疗领域具有广阔的应用前景，它们同时在未来皮肤科学尤其是治疗领域具有举足轻重的地位。随着医学科学进一步发展，皮肤再生医学仍面临诸多问题和挑战，其主要受不同人种、环境变化及全球经济发展等各种因素的影响和制约;另一方面，基因治疗等技术目前仍主要限于动物实验阶段，并未完全应用于人体研究[22];再者，再生医学的治疗目前也仅限于少数志愿者人群，还未扩大到所有病患。最重要的是，上述治疗技术必须要以伦理学为前提，在充分尊重人权的基础上进行相关研究和治疗。
笔者认为，从宏观医学角度上看，人体本身就是有机统一的整体，从分子到细胞、组织和器官，再到整个人体，其实就是一个由微观到宏观、从局部到整体的客观发展过程。以上述治疗技术为主要特色的皮肤再生医学实际上就是从人体的某一局部或者某一方面入手，通过合理和精准的实验研究得出客观数据，进一步推测和研究整体发展情况，再进一步深入到本质中解决客观存在的问题。从长远发展角度上看，皮肤再生医学不是一门独立的学科，需要各领域多学科的共同参与和辅助，因此，它必将成为引领未来皮肤科学治疗领域发展的风向标，在未来皮肤科学基础研究与临床治疗方面发挥举足轻重的作用。
[参考文献]
[1]杨扬，马慧军，胡蓉.皮肤角质层的相关屏障结构和功能的研究进展[J].中国美容医学，2012，21（1）： 158-161.
[2]Yamada T，Hasegawa S，Miyachi K，et al.Laminin-332 regulates differentiation of human interfollicular epidermal stem cells[J].Mech Ageing Dev，2018，171：37-46.
[3]Oda Y，Hu L，Nguyen T，et al.Vitamin D receptor is required for proliferation， migration， and differentiation of epidermal stem cells and progeny during cutaneous wound repair[J].J Invest Dermatol，?2018，138（11）：2423-2431.
[4]Wang X，Liu Y，Deng Z，et al.Inhibition of dermal fibrosis in self-assembled skin equivalents by undifferentiated keratinocytes[J].J Dermatol Sci，2009，53（2）：103-111.
[5]Chen XD，Ruan SB，Lin ZP，et al.Effects of porcine acellular dermal matrix treatment on wound healing and scar formation： Role of Jag1 expression in epidermal stem cells[J].Organogenesis，2018，14（1）：25-35.
[6]Li Y，Zhang J，Yue J，et al.Epidermal Stem Cells in Skin Wound Healing[J].Adv Wound Care （New Rochelle），2017，6（9）：297-307.
[7]Zhang M，Cao Y，Li X，et al.Cd271 mediates proliferation and ?differentiation of epidermal stem cells to support cutaneous burnwound healing[J].Cell Tissue Res，2018，371（2）：273-282.
[8]Lataillade JJ，Magne B，Bey E，et al.Skin engineering for severe? burns[J].Transfus Clin Biol， 2017，24（3）：245-250.
[9]Cheng CC，Tsutsui K，Taguchi T，et al.Hair follicle epidermal stem cells define a niche for tactile sensation[J].Elife，2018，7：e38883.
[10]Dason C，Dunnill P.A brief definition of regenerative medicine[J].Regen Med，2008，3（1）：1-5.
[11]Shpichka A，Butnaru D，Bezrukov EA，et al.Skin tissue regeneration for burn injury[J].Stem Cell Res Ther，2019，10（1）：94.
[12]Rios HF，Lin Z，Oh B，et al.Cell-and gene-based therapeutic strategies for periodontal regenerative medicine[J].J Periodontol，2011，82（9）：? 1223-1237.
[13]张建中，高兴华.皮肤性病学[M].北京：人民卫生出版社，2015：254-255，346-348.
[14]Vanden Oever M，Twaroski K，Osborn MJ，et al.Inside out：regenerative medicine for recessive dystrophic epidermolysis bullosa[J].Pediatr Res，2018，83（1-2）：318-324.
[15]Peking P，Koller，Murauer EM.Functional therapies for cutaneous wound repair in epidermolysis bullousa[J].Adv Drug Deliv Rev，2018，129：330-334.
[16]Teagle AR，Birchall JC，Hargest R.Gene therapy for pyoderma gangrenosum： optimal transfection conditions and effect of drugs on gene delivery in the hacat cell line using cationic liposomes[J]. Skin Pharmacol Physiol，2016，29（3）：119-129.
[17]Li M，Qiu L，Hu W， et al.Genetically-modified bone mesenchymal stem cells with TGF-β3 improve wound healing and reduce scar tissue formation in a rabbit model[J].Exp Cell Res，2018，367（1）： 24-29.
[18]Chávez MN，Schenck TL，Hopfner U，et al.Towards autotrophic tissue engineering： Photosynthetic gene therapy for regeneration[J].Biomaterials，2016，75：25-36.
[19] Mo Y，Guo R，Zhang Y，et al.Controlled dual delivery of angiogenin and curcumin by electrospun nanofibers for skin regeneration[J].2017，23（13-14）：597-608.
[20]Varkey M，Visscher DO，van Zuijlen PPM，et al.Skin bioprinting：the future of burn wound reconstruction[J].Burns Trauma，2019，7：4.
[21]Visscher DO，Farre-Guasch E，Helder MN，et al.Advances in bioprinting technologies for craniofacial reconstruction[J].Trends Biotechnol，2016，34（9）：700-710.
[22]Cossu G，Birchall M，Brown T，et al.Lancet commission： stem cells and regenerative medicine[J]. Lancet，2018，391（10123）：883-910.
[收稿日期]2019-01-08
本文引用格式：楊扬，梁晓博.皮肤再生医学相关技术在皮肤科学的应用前景[J].中国美容医学，2019，28（7）：170-173.
