禿髮是複雜的問題，涉及遺傳、荷爾蒙、老化、壓力、環境等多方面因素 [1]。禿髮問題也一直是許多人健康上的困擾，不僅影響外表，更可能對心理產生負面影響。隨著科技的進步，科學家積極尋找各種方式來解決禿髮問題，除了針對禿髮病理機制以藥物來改善之外，毛囊再生也是一個熱門研究方向 [2]，其中， 3D體外培養技術嶄露頭角，已成為研究毛囊再生機制的新主流。
毛囊的再生的成功要素，包括適當的上皮細胞和間質細胞進行交互作用，再加上正向的引導訊號還有微環境 [3]。傳統上，研究者主要依賴於動物模型和2D細胞培養模型來研究毛囊再生。然而，動物模型耗時且昂貴；而2D細胞培養模型，無法真實模擬毛囊的微環境。因此，3D體外培養技術的出現，為毛囊再生研究帶來了革命性的變革 [4, 5]。
先前的研究發現，在2D培養條件下，毛囊真皮乳突細胞(dermal papilla cells; DP cells)的基因表現迅速受到改變，包括與毛囊發育密切相關的基因。因此，將2D培養的DP cells移植到免疫缺陷的小鼠身上時，並不能成功誘導毛髮形成。進一步的研究發現，將2D培養的DP cells轉移到3D懸滴培養系統中，僅需24小時即可形成結構更類似完整DP的構造，並部分恢復毛囊發育相關基因的表達 [6]。將這些經過3D培養的DP cells移植到免疫缺陷的小鼠身上後，觀察到毛幹(hair shaft)的形成。這些結果顯示， 3D培養技術以更接近毛囊周圍的微環境培養細胞，使得細胞的型態和生理特徵更接近毛囊的組織結構，從而提高了實驗的可靠性和準確性。
目前，已經有許多毛囊3D體外培養模型，包括使用DP cells、角質細胞、誘導性多能幹細胞 (induced pluripotent stem cells)、以及新生鼠真皮細胞和表皮細胞進行3D體外培養技術，以模擬更真實的毛囊結構。研究者首先將DP cells進行3D球體培養，然後注入角質細胞來模擬毛囊的結構，同時使用尼龍纖維來引導結構的方向，以維持其完整性 [7]。透過免疫組織化學染色，在這個3D模型中可以觀察到毛囊相關基因的表現，包括只在毛幹表現的角蛋白40 (KRT40)及在DP cells中表現的vimentin和versican。此外，研究者也利用誘導性多能幹細胞誘導產生DP cells (iDPSCs)，這些iDPSCs同樣具有誘導毛髮生成的能力。利用iDPSCs和角質細胞建構的毛囊結構同樣展現出毛囊相關基因的表現，且其毛幹和內毛根鞘中角蛋白KRT25、KRT33A和KRT82的表現量比使用毛囊DP cells-角質細胞3D模型更高。
此外，研究者也將新生鼠真皮細胞和表皮細胞培養在基質膠 (matrigel) 中進行3D體外球體培養，到第十天即可觀察到毛囊幹細胞基因 CD34 和 Sox9 的表現，同時也可觀察到表現在DP的versican表現。在球體細胞中生成的毛幹，其角質層和黑色素和天然毛幹相似。將這些3D球體細胞移植到裸鼠身上可以成功誘導毛髮的生成 [8]。這些研究顯示，3D培養技術可以更真實模擬出毛囊結構，提供更快速、真實的平台來研究毛囊再生。
3D體外培養技術的發展為毛囊再生的應用前景帶來了無限可能。這種技術有望成為禿髮治療的新途徑。通過研究毛囊再生的機制，科學家們或許能夠開發出更有效的藥物，促進毛囊的健康再生。儘管仍然需要進一步的研究和臨床驗證，但這一領域的進展給予了人們更多治療禿髮的希望。
參考文獻
Yang, C.C., et al., Higher body mass index is associated with greater severity of alopecia in men with male-pattern androgenetic alopecia in Taiwan: a cross-sectional study. J Am Acad Dermatol, 2014. 70(2): p. 297-302.e1.
Yang CC, G.D., Cotsarelis G., Reconstitution of human hair follicles using fetal epidermal and dermal cells (meeting abstract). Journal of Investigative Dermatology, 2010. 130: p. S112-S112.
Yang, C.C. and G. Cotsarelis, Review of hair follicle dermal cells. J Dermatol Sci, 2010. 57(1): p. 2-11.
Zhang, Y., et al., Transcriptome Analysis Reveals an Inhibitory Effect of Dihydrotestosterone-Treated 2D- and 3D-Cultured Dermal Papilla Cells on Hair Follicle Growth. Front Cell Dev Biol, 2021. 9: p. 724310.
Tan, J.J.Y., et al., Keratinocytes maintain compartmentalization between dermal papilla and fibroblasts in 3D heterotypic tri-cultures. Cell Prolif, 2019. 52(5): p. e12668.
Higgins, C.A., et al., Microenvironmental reprogramming by three-dimensional culture enables dermal papilla cells to induce de novo human hair-follicle growth. Proc Natl Acad Sci U S A, 2013. 110(49): p. 19679-88.
Fukuyama, M., et al., Human iPS Cell-Derived Cell Aggregates Exhibited Dermal Papilla Cell Properties in in vitro Three-Dimensional Assemblage Mimicking Hair Follicle Structures. Front Cell Dev Biol, 2021. 9: p. 590333.
紀宛瑜 國立成功大學醫學院皮膚學科 博士後研究員
11202108@gs.ncku.edu.tw
06-2353535 #5397
楊朝鈞 國立成功大學醫學院皮膚學科 教授
yangcc@mail.ncku.edu.tw
06-2353535 #5418