特约综述.pdfVIP

中国细胞生物学学报 Chinese Journal of Cell Biology 2012, 34(4): 303–316 皮毛之道: 以表皮器官为研究模型探讨再生生物学 与再生医学的基础概念 钟正明* (University of Southern California, Department of Pathology, CA 90033, USA) 摘要 再生医学是一个具有巨大潜力的新兴医学领域。该文以此为方向讨论了再生医学研 究中的三个关键问题, 并以非神经外胚层器官的干细胞行为为例做进一步的探讨。第一, 如何获取 干细胞, 介绍了包括胚胎干细胞、组织干细胞和诱导性多能干细胞的获得途径, 以及若干组织细胞 重编程的成功范例; 第二, 如何将干细胞转化为组织和器官, 这需要了解干细胞分化以及形态发生的 机制, 并以羽毛的形态发生为模型, 引入了干细胞拓扑生物学的概念以及干细胞微环境调控塑造器 官形态的机制; 第三, 如何将干细胞及其转化产物置于患者体内, 并以鼠毛生长周期波为例, 阐明了 宏观环境因素如何调控干细胞的活性; 最后, 还分析了在器官发生中干细胞的自组织对于新生毛发 组织工程的重要意义。该文的许多原则不仅限于皮肤, 同时也适用于其它体内器官。通过对生物再 生的过程的基础研究, 我们可以受到生物再生之道的启发, 逐渐理解组织修复及再生的机制, 并提高 分子和细胞水平上的干细胞操作技术, 希望在不久的将来将干细胞研究成果应用于临床医学。 关键词 干细胞; 再生; 毛发; 创伤; 皮肤 美国国家卫生研究所(NIH)资助项目 *通讯作者。美国南加州大学病理系教授, 病理系研究生委员会主 席; 中央研究院院士; 台湾大学荣誉研究讲座教授; 台湾大学发育生物学 与再生医学研究中心荣誉主任。Tel: 1-323-442-1296, E-mail: cmchuong@ 特约综述 本实验室主要致力于组织发育和工程的研究。我们实验室研究项目一直得到美国国 家卫生研究所(NIH)的资助, 主要研究干细胞如何通过引导而形成特定形状和大小的 特定组织和器官。我们以除神经以外的外胚层器官为主要的研究对象, 从大自然得 到启迪, 研究其发育、进化及再生过程中, 干细胞如何塑造为不同的外胚层器官。我 们提出了对于控制外胚层干细胞分化为特定结构组织或器官所至关重要的 “拓扑生 物学(topobiology)” 的概念, 证明了干细胞是如何通过拓扑异构的过程来形成多样外 胚层器官的形态。除此之外, 我们也是毛发生长波——宏观环境因素如何调控干细 胞的行为的提出和研究工作的先行者。总的来说, 我们的工作跨越多领域, 并与机器 人工程师和生物数学家通力合作进行多学科交叉研究, 从而对生物器官的群体行为 提供新的见解。 /~cmchuong/ 再生医学为21世纪医学领域带来了许多希望。 科学家们通过交叉的学科研究和快速的科学进展获 得学习再生医学新的方法。在大自然中, 动物需要 具备一定的再生能力而使其生命得以为继, 因此再 生生物学应声而起并蓬勃发展。研究再生医学的有 效方法之一就是了解在生理情况下器官的再生是如 何发生的, 进而将这些知识融入到再生医学的研究 中。在各种器官中, 皮肤是生物体和外界环境的交 流平台, 它们具有强健的再生能力。而且, 它们需要 304 · 特约综述 · 形成和再生一些皮肤的附属物(毛发、羽毛)来适应 它们生命中不同时期(如青春期)的生理需求。在此, 我们用皮肤器官为例来探讨再生生物学和再生医学 的基础概念。 1 从生物再生到再生医学 1.1 再生医学的研究和应用主要面临的三个议题 目前, 再生医学研究和应用主要面临三个议 题: 第一, 如何获取干细胞(obtaining stem cells)并维 持其干细胞状态, 即干性(stemness); 第二, 如何诱 导干细胞定向分化并形成所需要的各种组织器官 (differentiation and organization of stem cells); 第三, 如何将干细胞产物安全地植入患者体内并使其整合 成为机体的一部分(delivery of stem cell products to the host)。本文将以皮肤毛发再生为例, 结合细胞生 物学基础知识和其他器官再生研究的必威体育精装版进展, 阐 述当前医学再生领域的研究现状, 并探讨未来的发 展趋势。 从临床应用的角度看, 组织干细胞(specific- tissue stem cell, TSC)及其产物处于不同的地位, 具 有不同的作用和需求: 例如, 骨髓干细胞并不依赖于 特殊的生物构筑及组态(biological tissue architecture and pat