皮膚幹細胞 (Skin Stem Cells)
幹細胞的定義特性
- 每個能自我更新的組織都有幹細胞，負責維持與修復其所在組織。體幹細胞有兩項定義性特質：
- 產生可分化以更新或修復組織的子代細胞。
- 產生新的幹細胞（自我更新 self-renewal）。
- 表皮、真皮、附屬器與黑色素細胞各由不同譜系專一的幹細胞維持。
- 幹細胞常位於具保護性的微環境棲位 (niche)，該處提供必要的訊號因子。
- 恆定狀態下幹細胞分裂極不頻繁——一般認為此特性可保護其免於在細胞週期進行中累積突變；受傷後則可加速分裂參與傷口癒合。
- 一項辨識特徵：幹細胞可在培養中近乎無限期地維持。表皮基底細胞中有一亞群能形成高度增生的群落、可長期繼代培養，稱為 holoclones，推定即為幹細胞。Holoclones 可在體外重建表皮，並已用作皮膚移植片治療燒傷與遺傳性皮膚疾病。
表皮幹細胞 (Epidermal Stem Cells)
- 人類表皮每 40–56 天 自我更新一次，此持續汰換由位於基底層的表皮幹細胞媒介。
- 幹細胞僅佔基底表皮的小部分，其確切位置與數量仍不明。
- 掌蹠表皮幹細胞位於釘突底部或頂部，證據互相衝突；位於底部者可獲得較多免於環境壓力的保護。
- 對基底表皮中增生性、未分化細胞的解釋有兩個競爭模型：
- 階層模型 (hierarchical)：幹細胞進行不頻繁的不對稱分裂，產生一個新幹細胞與一個過渡放大 (transit amplifying, TA) 細胞。TA 細胞頻繁且對稱地分裂產生兩個 TA 細胞，構成基底角質細胞的大多數；數輪分裂後 TA 細胞退出細胞週期、移往基底上層，啟動終末分化。每個表皮幹細胞與其後代形成一縱向細胞柱，稱為表皮增生單位 (epidermal proliferation unit, EPU)。
- 隨機模型 (stochastic)：表皮幹細胞分裂罕見且通常不對稱，產生一個新幹細胞與一個定向前驅細胞；但偶爾也會發生隨機的對稱分裂（產生兩個幹細胞或兩個前驅細胞）。此模型中，定向前驅細胞構成基底層主體並頻繁分裂以維持表皮。
- 兩種模型可能都在皮膚中依部位或外界刺激而存在，這可解釋為何兩者都有實驗證據支持。
毛囊幹細胞 (Hair Follicle Stem Cells)
- 隆突 (bulge) 位於外根鞘，恰在皮脂腺深處、鄰近立毛肌附著點，一般認為是毛囊幹細胞的所在。
- 隆突是毛囊在退行期 (catagen) 不退化的最低部位，含形態上未分化的細胞。
- 隆突細胞的特性：週期緩慢 (slow-cycling)、培養中具高群落生成潛能、可自我更新、多能性 (multipotent)。
- 體內通常只在毛囊重新進入生長期 (anagen) 時增生，以再生毛囊下三分之二。
- 隆突與外分泌汗管的附屬器幹細胞提供重要的外胚層儲備，使受傷後表面表皮得以重建。
- 毛球 (bulb)：位於生長期毛囊基部，含可自我更新、快速分裂、具群落生成能力的基質細胞，產生毛幹與內根鞘。這些細胞具幹細胞特性，但在退行期會與下段毛囊一起退化。它們究竟該歸類為過渡放大細胞或定向前驅細胞仍有爭議。
幹細胞可塑性 (Stem Cell Plasticity)
- 恆定狀態下，表皮與毛囊幹細胞只各自貢獻於其起源組織。
- 但受傷時，隆突來源的角質細胞也能參與毛囊間表皮的修復。多數隆突來源細胞在癒合中的表皮只短暫存活，但有一亞群可轉分化 (transdifferentiate) 為長壽的表皮幹細胞。
- 同樣地，表皮幹細胞可參與大型傷口中央新毛囊的形成。
- 皮膚與皮下脂肪含有罕見細胞，在三維培養中給予多種生長因子時可形成球狀群落。這些球狀細胞代表多能幹細胞，可被導引產生多種組織型別，其自體幹細胞治療的應用正在探索中；但這些細胞在皮膚中的原位位置與功能仍未知。
- 成年哺乳類細胞形成其他細胞型的潛能，遠比先前所想的更具「彈性」。某些細胞型（尤其骨髓細胞）有能力併入多種組織（如表皮、心臟）並採取常駐細胞的命運，貢獻後代給該組織。
- 誘導型多能幹細胞 (induced pluripotent stem cells, iPS cells)：由體細胞（如纖維母細胞）重編程為類胚胎幹細胞狀態，可被刺激分化為多種細胞型，包括角質細胞。因此包含各類皮膚細胞在內的成體細胞，可能有能力去分化為多能幹細胞。
遺傳性皮膚病的幹細胞治療
- 遞送經基因矯正的幹細胞，優點是皮膚可持續合成該蛋白，但可能有致癌風險，使用反轉錄病毒載體時尤然。
- 交界型 EB (junctional EB)：以離體 (ex vivo) 反轉錄病毒載體轉導正常 LAMB3 cDNA 的富含幹細胞表皮移植片，成功矯正 laminin-β3 缺乏的皮膚。結果是矯正後表皮表現功能性 laminin 332 且無水疱形成，兩者在多年追蹤中持續維持。
- 嚴重隱性失養型 EB (severe recessive dystrophic EB, RDEB)：類似的基因矯正自體角質細胞移植片，以及異體間質基質／幹細胞的皮內與靜脈注射，也帶來傷口癒合改善。
- 在嚴重 RDEB 兒童使用異體骨髓來源幹細胞移植的臨床試驗中，觀察到真皮–表皮交界處第 VII 型膠原沉積，水疱形成程度不一地減少；相關的併發症與死亡率可藉降低強度的前置處置方案 (reduced-intensity conditioning regimens) 部分減輕。
- 其他研究者正探討 EB 治療的替代幹細胞來源，包括由回復型 (revertant) 角質細胞衍生的自體 iPS 細胞。
圖 2-6：角質細胞與黑色素細胞幹細胞。注意隆突 (bulge) 與外根鞘是相連續的。
圖 2-7：遺傳性皮膚疾病的幹細胞治療策略。A 由病人分離表皮幹細胞、在體外矯正基因缺陷（如用病毒載體），再將含矯正幹細胞的上皮片移植回病人；B 利用由體細胞（如纖維母細胞）產生的 iPS 細胞，以 CRISPR/Cas9 標的基因組編輯等技術矯正缺陷後分化為角質細胞再移植；C 使用造血幹細胞 (HSC)——全身性投予（經前置處置後）異體 HSC 可歸巢至皮膚（如 EB 病人的受傷部位），產生分化後代細胞以提供所需的皮膚蛋白（如第 VII 型膠原）；D 直接以病毒或其他載體將治療性基因投予病人，欲達永久矯正則載體必須標定能供應該蛋白給皮膚的幹細胞。