Live imaging of stem cell and progeny behaviour in physiological hair-follicle regeneration
Panteleimon Rompolas1, Elizabeth R. Deschene1*, Giovanni Zito1*, David G. Gonzalez2, Ichiko Saotome1, Ann M. Haberman2& Valentina Greco1
1Department of Genetics, Department of Dermatology, Yale Stem Cell Center, Yale Cancer Center, Yale School of Medicine, New Haven, Connecticut 06510, USA.
 2Department of Laboratory Medicine, Yale School of Medicine, New Haven, Connecticut 06510, USA.
 
摘要  组织的发生与再生依赖于细胞-细胞间相互作用和指向干细胞的信号以及它们的直接增殖。但是，引导组织适当再生的细胞行为还没有被很好的理解。运用一种新的，非侵入的双光子成像技术，我们研究了活鼠随时间推移的生理性毛囊再生。通过这种方法，我们监测了真皮层干细胞和它们的后代在生理性毛囊再生过程中的行为，并指出了间充质对它们行为的影响。承接早先的研究，干细胞在毛发再生的初始阶段处于静止状态而它们的后代处于更活跃的分生状态。除了细胞分化之外，后代细胞的协调运动也允许毛囊的快速扩张。最后，我们通过切蚀目标细胞的和长时间跟踪活毛囊展示了间充质对毛发再生的要求。因此，我们建立了一种直接原位观察毛囊内生长调控的细胞机制的方法，这使得我们可以精确调查生理性再生过程对毛囊组分的功能性要求。
 
材料与方法
在原位成像中，对3周龄的小鼠通过腹膜内注射克他命和甲苯噻嗪进行麻醉，头部区域的皮肤使用机械剪毛器和脱毛膏剃光。小鼠被放在一个加热平台上，头部和耳朵通过一个自制固定台固定。一个玻璃盖被放在头耳结合部的皮肤上。皮肤的图像栈通过一台装配Chameleon Vision II (Coherent)双光子激光器的LaVision TriM II Scope（LaVision Biotech产品）显微镜获取。一束激光(at 940 nm for GFP and 1040 nm for RFP, respectively)通过aX20水浸物镜（(N.A. 1.0; Olympus)聚焦并以600Hz的频率扫描0.25到0.5mm2的视野区域。系列光学切片在5分钟内以步长2-3µm成像总深度100µm的组织。从静止阶段向生长阶段转变的几个相（静止相到生长初期相）被分析。在皮肤里使用不同的内在标记以在不同试验中定位到视野的初始区域并观察同一个毛囊。实验过程中通过鼻尖吸入气化异氟醚保持麻醉状态。
 
三维双光子激光切蚀。使用同样的光学设备进行激光切蚀。使用900nm的激光束扫描一个10µm2的区域，以25%的激光能量持续1秒钟即可获得切蚀。根据目标深度(30–80 µm)调整切蚀参数。
 
主要结果

Figure 1 | 新的一次生长开始，细胞分化是在毛囊中进行空间调控的。a,静止状态毛囊。参与毛发再生的不同细胞群，包括干细胞，progeny和间充质，存在于定义的毛囊解剖隔层中。 b, 来源于双光子激光扫描显微镜系列光学切片的静止态活毛囊的三维重构。上皮细胞核（绿色）通过角蛋白14启动子(K14H2BGFP)驱动的H2B-GFP融合蛋白显影。 c, 一个progeny 分裂的例子。一个活毛囊的单独光学切片（左侧）和progeny 组分中三个处于有丝分裂期间细胞核的放大图（右侧，插图）。 d, 从几个处于早期生长阶段毛囊(n=17)中定量化细胞分裂的位置和轴 (生长初期II)。e,垂直（左图）和水平（右图）方向干细胞分裂的两个例子。一个活毛囊的单独的光学切片（左侧插图）和处于有丝分裂中的干细胞隔层（右侧插图）的细胞核放大图。红色箭头，有丝分裂中的亲代核与子代核。图片的时间推移分别为15分钟和45分钟。标尺20 µm.

Figure 2 |生长过程中处于形态重组的干细胞progeny隔层. a, 毛囊生长中的向下伸展。生长状态的活毛囊三个连续时间点（3小时间隔）的光学切片，展示了progeny组分向下的伸展（左三）。核间距增加，干细胞和progen隔层(大约生长初期II to IIIa)中的总细胞数被定量。 (右侧, 数据表示为mean±s.e.m. (n=13–20; asterisk, P< 0.0001)b,毛囊内的核重组.两个光学切片（左侧）分别跟踪和测量了同一毛囊在0时刻和4h时的（右侧）冠面和切面（xy and xz）（大约生长初期II to IIIa）（底图）。c, 生长中毛囊的向下迁移。单一光学切片表明了单个毛囊在1小时间隔连续时间点的完整的（左侧）和下部局部视图（上侧）。光学切片中的红色箭头和相应的跟踪标记了一个正在向下移动的核，5h内走过了30µm（大约生长初期IIIb）。在0h所展示的绿色核的位置以灰色表示用来比较（右下方图）。标尺20µm

Figure 3 | 间充质皮肤乳头的切蚀削弱了毛发再生的启动. a, 实验设计，使用激光诱导皮肤乳头细胞切蚀来测试间充质对毛发再生的要求。b, 切蚀皮肤乳头细胞的活毛囊四个时间点的高放大率光学切片。c,包含少数切蚀皮肤乳头细胞的活毛囊的一群毛囊（黄色箭头）在三个时间点的低放大率光学切片。d,两个progeny被部分切蚀的毛囊在3个时间点的低放大率光学切片。e,切蚀皮肤乳头（上）或部分切蚀progeny隔层（下）的毛囊（作为毛囊的总长度测量）生长与对照完整毛囊的量化比较。数据表示为mean±s.e.m. (n=8–10; asterisk, P< 0.0001).标尺50 µm.

 
Figure 4 | 毛囊再生的细胞机制。毛发再生的初始阶段，干细胞progeny是启动增殖的第一隔层。虽然分化数量少于干细胞progeny，但是隆突内部也检测到了细胞的分化。子代隔层是沿毛囊生长的轴向分化，而隆突内的分化方向则是随机的。毛囊经历了一个向下的延伸，其中子代内而不是干细胞隔层内的核间距增加。围绕间充质皮肤乳头的上皮细胞核重新排列并围绕间充质压缩。间充质的切蚀导致了毛囊生长的减弱。

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