毛母細胞

每一根頭髮都包含了數量巨大的角質細胞，因此毛囊是一個生長、代謝極為活躍的器官。毛髮的生長依賴於毛囊未端的一個特殊結構，這個結構中含有大量的毛母細胞(hair matrix cell)，只有毛母細胞的持續分裂增殖，毛髮才能生長。因此毛母細胞又被稱為毛髮的生長中心。毛母細胞的生長調控是解決脫髮問題的關鍵之一。毛母細胞分裂增殖旺盛，細胞體積增大，毛髮生長速度就會加快，新生毛髮纖維質地就變得粗壯，反之就會出現頭髮稀疏，發質變軟。

毛母細胞具有幹細胞的特性，在毛髮生長過程中不停地進行分裂、增殖、分化。

毛囊作為人體更新最快的組織器官之一，是研究幹細胞遷移、分化良好的模型。近年來，關於毛囊幹細胞在毛囊的發生和毛囊的更新中所起作用的研究甚多，並取得了一些突破性的進展，如毛囊幹細胞的定位，毛囊幹細胞的遷移過程等。然而，對於毛囊發育中最重要的過渡細胞一毛母質細胞如何形成毛髓質、毛皮質、毛小皮和內根鞘等毛囊結構這個問題上卻知之甚少。研究並弄清毛母質細胞的分化和增殖過程對理解毛囊的發育、更新以及一些與毛囊相關的疾病都具有重要意義。本文就毛母質細胞的生物學特性、主要信號轉導路徑及毛母質細胞的體外培養等方面的研究進展綜述如下。

1毛母質細胞的結構特點和分化去向

毛母質細胞位於毛囊下端的毛球部，是一群圍繞在毛乳-頭周圍的上皮細胞，HE染色嗜鹼性，為具有多能性的生髮細胞，能向幾個不同的方向分化。毛母質細胞最終將分化形成毛囊的內根鞘、毛小皮、毛皮質以及毛髓質細胞，而外根鞘及皮脂腺等結構則由Bulge細胞分化而成。毛母質細胞與表皮基底層細胞形態相似，呈柱狀或立方形，胞核大，胞質含有許多遊離核糖體，線粒體較多，粗面內質網稀疏，高爾基複合體小，有少量角蛋白絲，細胞相鄰面有橋粒。毛母質細胞分化的細胞形成不同的產物。內根鞘細胞先形成許多直徑6—8 nm的角蛋白絲，然後絲的附近出現均質狀的透明毛質顆粒。細胞在充滿這些物質時退化，透明毛質顆粒彌散成均質物質，與角蛋白絲結合成複合物，細胞膜也變厚。毛小皮細胞含角蛋白絲少，但包含許多30一40 rim的無界膜包被的小顆粒，其逐漸融合成均質狀物質充滿細胞⋯。毛皮質細胞含許多直徑6—8 nm的角蛋白絲柬，其後出現均質狀物質充滿細胞。髓質細胞產生直徑30～50 nm的球形顆粒，顆粒漸互相融合變大，以後成為均質狀物質充滿細胞。對毛的化學分析表明，內毛根鞘和皮質細胞含低硫的纖維蛋白和高硫的均質狀蛋白，毛小皮含高硫的均質狀蛋白，髓質細胞含無硫的均質狀蛋白。

2毛母質細胞在毛囊的維持和再生中的作用

毛球部曾一直被認為是毛囊幹細胞的所在地，直到1990年Cotsarelis對小鼠皮膚進行3 H-TdR標記實驗，發現毛囊隆突部(Bulge)是標記保留細胞(Iable-retaining cells，LRCs)的唯一存在地點，從而提出了毛囊幹細胞定位於毛囊隆突部的隆突激活假說。在該假說中，毛母質細胞扮演過渡細胞的角色：隆突部細胞在靜止期後期被毛乳-頭激活后遷出，並沿外根鞘向下遷移，后在毛乳-頭周圍分化成為毛母質細胞；生長中期時，毛母質細胞對毛乳-頭和毛囊周其他間質細胞起激活作用，促血管形成，並且自身分化成毛髓質、毛小皮和內根鞘等終末分化細胞；生長期時，毛母質分化增殖能力強，毛囊不斷向下生長，毛干也不斷增長，但隨著毛母質細胞的分化和耗竭，毛囊的生長將逐漸衰退並進入退化期，所以毛囊的生長期長短是由毛母質細胞所決定的。在Panteleyev等提出的另一種毛囊周期假說——毛囊的預決定假說(hair follicle predetermination hypothe-Bis)中，毛母質細胞是由次級毛芽(secondary hair germ)在靜止期末期分化而來的。次級毛芽為毛囊靜止期末期的一個特殊結構，由上一個毛囊周期中由隆突部遷出並在退化期后躲過程序性凋亡而倖存的細胞(側盤)在與毛乳-頭相互作用后形成。毛母質細胞同樣為毛乾和內根鞘等結構形成過程中的最後一站。此外在毛母質細胞分化成毛囊結構中各種細胞的過程中，毛母質細胞尚需與黑素細胞、毛囊下真皮細胞相互作用，因此，毛母質細胞的正常分化是形成正常毛囊結構的關鍵。但是，由於毛母質細胞所處位置特殊，接受和發出多種信號調節毛囊的再生，研究起來十分困難，故影響毛母質細胞增殖和分化的因素尚不明確。為研究毛母質細胞向毛囊結構中各種終末分化細胞的分化過程，Legue等H1利用克隆標記方法對毛母質細胞的分化進行了詳細地觀察，並提出了毛母質細胞的洋蔥分化模型(OonModel)(圖1)，發現毛母質中存在著具有自我更新能力的刁司幹細胞亞群，這些幹細胞亞群在毛乳-頭周圍由近及遠按順序：形成幾個相對獨立的區域，不同區域內的毛母質細胞將分化成為毛囊的不同結構。在該模型中，毛母質細胞的命運(最終分化方向)和特徵性行為(外在行為表現。包括是否對稱分裂、細胞的極化程度和所表達的特徵分子標記等)在空間上是由兩個不同的維度來決定的。在徑向方向(radial orient,ation)上，毛母質可分為生髮層(幹細胞層)、祖細胞層和分裂期后細胞層(post．mitotic layer)。生髮層與毛乳-頭緊密相鄰，在毛乳-頭細胞所提供的信號指引下向不同方向分化，但同時又能夠在一定程度J：維持自我更新狀態；祖細胞層細胞分裂活躍，通過不斷的分裂增殖維持外層細胞的數培；而最外層的分裂期后細胞層內的細胞則為終末分化的功能性細胞，已經不再具備分裂增殖的能力。在毛乳-頭周圍，生髮層細胞在垂直方向(proxi·mal-distal orientation)上分為三個區域，三個區域分別包含了能夠形成內根鞘、毛小皮及毛髓質的前體細胞。而位於最下方的細胞則小參與形成毛囊的內層結構，其主要與外根鞘的形成有關。在這樣一個有序的空間體系下，毛母質細胞不斷增殖分化，最終完成對毛囊的構建過程。

3毛母質細胞與毛乳-頭間的信號交流

毛母質細胞和毛乳-頭細胞之間存在著密切的信號分子交流，這些細胞間分子信號構成了一張精密的分子網路調節著毛囊的發育和周期性的更新活動。這張網路包括了Wnt、TGF．B/BMP、Hedgehog、FGF、Notch、EGF、TNF和神經營養因子家族等眾多信號通路。這些信號通路在不同水平上通過相互交流和對話，精確地調節著毛囊的發育和周期性生長過程。在靜止期時，毛囊的生長處於相對停滯狀態，可以推測靜止期的毛囊存在著某種抑制信號維持著毛囊的這種狀態。2001年，Botcharev等M o發現，BMP-4在其中扮演著抑制分子的角色。在靜止期的毛囊，毛乳-頭的成纖維細胞表達BMP-4，而此時的BMP-4的受體BMPR．1 A選擇性地表達於次級毛芽。BMP-4作用於其受體抑制了毛囊由靜止期轉向生長期的過程。Botcharev等通過拔毛誘導生長期的實驗證明，經過BMP-4處理后的毛囊進入生長期受到抑制。而在接受BMP-4拮抗劑Noggin后，將促進毛囊由靜止期向生長期的轉換過程。Chanda等舊1還發現，在靜止期雌激素理受體表達於毛乳-頭。應用雌激素受體的拮抗劑后可誘導毛囊由靜止期轉向生長期，說明雌激素在毛囊靜止期的維持過程中也起了重要作用。在此之前Phippard等"o就已經發現雌激素在哺乳動物的腺體發育過程中可調節BMP-4的表達。由此可以推測雌激素可能是通過誘導BMP-4在毛乳-頭的表達從而達到維持毛囊處於靜止期的作用。在毛囊由靜止期轉向生長期的過程中，Shh、Wnt/13．care．nin/Lef-I和STAT3通路的激活BMP信號的下調起著重要作用舊1。在生長期早期，Shh信號通路的激活導致毛乳-頭和毛母質細胞分別表達Wntloa和Wntlob。激活的Wnt通路將促進STAT3的表達從而使毛母質細胞快速增殖。BMP信號對Wnt和Shh通路具有抑制作用，在靜止期後期，BMPR-I A在毛母質細胞的表達下調和BMP抑制分子Noggin的表達上調，從而使得BMP的抑制作用減弱。最終通過前述的Shh、Wnt通路激活毛囊進入生長期(圖2)。進入生長期后，毛母質細胞和毛乳-頭細胞之間的信號交流達到最高峰。毛母質細胞表達一系列受體(如B·catenin/Lef-I、c-kit、c-met、FGFR2、IGF．I R)，同時在毛乳-頭也表達如Wnt5a、SCF、HGF、FGF7、IGF-l等配體。不僅如此，毛母質細胞也表達PDGF．A，Shh和BDNF等配體，同時相應的受體(PDGF-Rct，Smoothened和TrkB)表達於毛乳-頭細胞’91。這說明毛母質細胞與毛乳-頭細胞之間的存在著雙向的信號對話。如前所述，毛母質細胞的分化在空間上是由兩個維度所決定的，由此可以推測毛母質細胞的空間分佈決定了其所受信號的種類及強度的差異，而正是由於這種差異的存在決定了毛母質細胞最終的分化方向。在轉入退行期后，一些曾在生長期高表達的信號分子迅速下降，同時一些促進凋亡的分子如FGF5、TGF-131和神經營養因子等卻大量表達。

目前關於毛囊進入退行期的原因有兩種學說：一種認為進入退行期是由毛母質細胞內部的生物鐘所控制的；另一種則相信這種行為是被相應的外在因素所調控的。毛母質細胞與毛乳-頭細胞間複雜而有序地通過各種信號的表達精確地調控毛囊的周期和毛母質細胞的分化，其中發生的細胞事件紛繁複雜。目前，從各種信號通路所包含的成千上萬種調節因子中篩選出能決定毛母質細胞分化方向和決定毛囊周期的因子，仍然是毛囊生物學學研究最大的挑戰。

4毛母質細胞的體外培養

Jones等於1988年利用含有處於分裂後期的3T3細胞或人真皮成纖維細胞(HDF)的培養基，以毛干組織碎片作為培養物，成功在體外培養出了人類的毛髮細胞，並通過超微結構分析和半胱氨酸放射標記技術證明了其中含有毛母質細胞。在此基礎上，Limat又通過改進培養技術，在有HDF作為滋養層的培養基上培養出了毛球部的細胞，並且在培養過程中他們發現：與外根鞘細胞相比，毛球部的細胞需要更長的胰酶消化時間，並且傳代培養之後恢復生長的速度更慢。Limat等還發現，在未與真皮乳-頭細胞(DPC)相接觸的毛球部細胞會逐漸表達CKI、CKl0、外皮蛋白(involuerin)和中間絲相關蛋白(filaggrin)等分化標記；而與真皮乳-頭細胞(DPC)相接觸的毛母質細胞卻不表達以上分化標記物。說明毛乳-頭細胞和毛球部的毛母質細胞之間存在著某種未知信號聯繫，維持著該部位的毛母質細胞處於未分化的狀態。Detmar等u1．141於1993年第一次報道通過顯微切割的方法成功從毛球部分離出毛母質細胞並在無血清的培養基中培養成功，並且利用超微結構分析和免疫細胞化學分析證實了其就是毛母質細胞。在後續培養過程中發現，通過分離得到的毛母質細胞能夠發生向毛髓質，毛皮質和內根鞘細胞等方向的分化。Detmar等的培養方法雖然獲得了成功，但是仍然無法獲得長期穩定的毛母質細胞，培養數代后，大部分已經分化為其他類型的細胞了。自Detmar等之後，雖然也有成功培養出毛母質細胞的報道，但是技術仍不成熟，未能得到推廣，並且所培養出來的是否為真正的毛母質細胞仍無有力的佐證。正是毛母質細胞難於體外培養與轉化，使對毛母質細胞的進一步深入研究受到挑戰。

5毛母質細胞與疾病

毛母質細胞是毛囊生長期中分裂增殖最快的細胞，並且隨著其分裂速度逐漸下降最終導致毛囊進入退化期。因此當毛母質細胞的分裂過程中受到其他因素的影響時，容易產生病變。正常脫落的頭髮都是處於退行期及休止期的毛髮。由於進入退行期與新進入生長期的毛髮不斷處於動態平衡，故能維持正常數量的頭髮。由於病毒、細菌、高熱或使用化療藥物等因素抑制了毛母質細胞的正常分裂，使毛囊處於休克狀態，從而使毛囊結構無法維持導致脫髮的發生。黑素細胞位於毛球部毛母質細胞周圍，其將自身所產生的黑素顆粒轉移給毛母質細胞，毛母質細胞將所獲得的黑素顆粒分配到其子代細胞中(即組成毛乾的毛髮細胞)，使毛髮呈特定的顏色(根據黑素顆粒內容物而異)。當毛母質細胞因為外界因素影響使得毛母質細胞分裂周期與黑素細胞產生黑素顆粒的周期不一致時，黑素顆粒無法進入毛母質細胞從而導致無色素毛髮的形成。

6展望

毛母質細胞作為毛囊幹細胞向終末分化細胞分化過程中的重要過渡細胞，對毛囊的形成具有重要作用。毛囊幹細胞的遷出在整個毛囊周期中只佔有很短的一部分，而更多的時間裡是通過毛母質細胞的增殖和分裂來生成和更新毛囊的各個結構的。而在Panteleyev等所提出的“預決定假說”中，作為毛母質細胞前身的次級毛芽(Secondary Hair Germ)更被認為是毛囊生長期啟動的關鍵結構。因此對毛囊周期的調控研究，不能再只單純停留在Bulge細胞的遷出過程。目前對毛母質細胞是通過何種機制演變成各種終末分化細胞的，仍不得而知。目前造成該方向研究停滯不前的原因主要有二：第一是毛母質細胞的離體培養技術仍不成熟，雖然有過成功的報道，但其可控性低，培養出來的毛母質細胞不穩定，很快就因為各種原因而分化成其他終末分化細胞了。第二是毛母質細胞所處環境複雜，接觸細胞類型和信號種類甚多，要從各種信號通路所包含的成千上萬種調節因子中篩選出能決定毛母質細胞分化方向的因子仍缺乏有效的方法。