為了讓肚子不被撐破，你知道肚皮有多努力嗎？

大家都知道，我們的皮膚（表皮）具有伸展性，但它背后的科學原理卻簡約而不簡單。

表皮得以伸展的原因不外乎兩種，細胞體積的增大和細胞數(shù)目的增加。然而，直到最近，科學家才揭開表皮在長期外力下能夠伸展的生理機制，干細胞又一次發(fā)揮了關鍵作用。

（圖片來源：flickr/ lincolnblues）

今年5月30日，由中國科學院干細胞與再生醫(yī)學創(chuàng)新研究院等單位共同發(fā)表的研究論文，對干細胞在皮膚修復過程中發(fā)揮作用的具體機理進行了進一步的揭示。

相關成果由《Frontiers in Cell and Developmental Biology》雜志在線發(fā)表，論文全體作者均來自中國本土的研究機構。

你知道皮膚的自我修復有多努力嗎？

孕婦懷孕期間，腹圍可以比正常狀態(tài)下增大20-30厘米，肚皮隆起成球狀。我們從來沒聽說過哪個孕婦把肚皮撐破，即便是那些懷了多胞胎的媽媽們，肚皮也能隨著嬰兒的發(fā)育而逐漸增大。

圖庫版權圖片，不授權轉載

同樣的原理，整形醫(yī)學界的“隆胸”、“墊鼻梁”以及“拉皮”等手術能夠順利實施而不會造成皮膚缺損，也與皮膚的抗拉和伸展特性有關。醫(yī)學界雖然一直在享受皮膚這種特性帶來的好處，但其中的具體機理卻誰也說不清楚。

直到2020年，來自比利時和英國的研究團隊找到了問題的答案，相關研究也登上了《自然》雜志。原來，無處不在的干細胞又一次“奮力”地幫皮膚扛起了自我修復的重擔。之后，科學家們繼續(xù)對皮膚修復過程中干細胞發(fā)揮的作用進行深入研究。中國科學家們本次的研究成果就揭示了在這一過程中起到?jīng)Q定性作用的數(shù)個關鍵調控因子。

孕婦肚皮的膨脹過程中，表皮才是瓶頸

如果我們仔細考慮一下肚皮的構造，可以發(fā)現(xiàn)它的底層是肌肉，中間是脂肪為主的皮下組織，頂層是皮膚，包括真皮和表皮等。以上結構中，除了表皮，都有很強的伸縮變形能力，應付懷孕這點變形綽綽有余。

懷孕時腹部和胎兒示意圖（圖庫版權圖片，不授權轉載）

但表皮則不同，雖然表皮同樣有一定伸展性，但表皮的伸展能力要在緩慢的拉伸過程中慢慢體現(xiàn)。

換句話說，如果一瞬間讓女性的肚皮變成懷胎十月那么大，可能表皮真有撐破的可能。（其實，懷孕后期真皮可能反而先撐不住了，后果就是形成妊娠紋。）

妊娠紋 （圖庫版權圖片，不授權轉載）

外科手術和美容手術之中，表皮的伸展能力也會有所體現(xiàn)。例如隆胸手術后胸部皮膚最初可能會有緊繃感，但術后很快就能恢復平滑自然的外觀。但是其中的機理到底是什么呢？要想搞清這個問題，還得說一說皮膚的結構。

皮膚的結構和再生

作為人體應對外界病原的第一屏障，皮膚的貢獻往往被人忽略，其實要是沒有皮膚的阻擋，細菌很容易大面積入侵到人體組織中。

皮膚是人體分布面積最大的器官，擁有一定的彈性。不止于此，在給予皮膚外界應力的同時，皮膚還會發(fā)生擴張，即緩慢的生長。

皮膚主要由表皮、基底膜和真皮三部分構成。其中表皮位于最外層，從外向內分別是角質層、透明層、顆粒層、棘層和基底層，其中角質層是最厚的一部分，也是實至名歸的人體第一防線。

基底膜是最薄的一層，夾在表皮的基底層和真皮之間。真皮層比表皮層厚幾十倍，由結締組織組成，可以緩沖身體受到的壓力及應變。真皮層彈性良好，并具有貫穿其中的血管、神經(jīng)和淋巴。

皮膚及下方肌肉組織（圖庫版權圖片，不授權轉載）

像是樹葉的凋零和生長一樣，皮膚時時刻刻也伴隨著脫落和再生，這一過程又與皮膚干細胞息息相關。

皮膚干細胞是存在于皮膚中的一類有極強增殖和分化能力的細胞，與皮膚的擴張和修復都有密切的聯(lián)系。皮膚干細胞可以通過分裂產(chǎn)生兩種不同種類的細胞參與再生，它們最初都存在于基底膜。

在表皮角質層脫落以后，這些細胞從基底膜分層出發(fā)，通過表皮層由內向外移位，好像一個向外擴散的過程。經(jīng)歷多個分化階段，直到移至表皮角質層中成為新的角質層，構成皮膚新陳代謝的完整過程。

這一過程大約48天循環(huán)一次，所以肉眼根本不可見。

被拉伸時，皮膚發(fā)生了哪些變化？

除了皮膚干細胞主導的常規(guī)性皮膚再生過程，當受到突如其來的機械應力時，皮膚會通過調整其大小和形狀來抵抗這樣的變化，以保持皮膚作為人體第一屏障的功能。

臨床上醫(yī)生們將可充氣的“皮膚擴張器”埋入皮膚下方并使其輕微膨脹，使覆蓋在上方的皮膚感受到微小的應力進而促進皮膚更快的再生與伸展。

不同類型的皮膚擴張器

（圖片來源：參考文獻5）

這種“皮膚擴張器”給比利時和英國科學家提供了研究的靈感，他們在模型小鼠的皮膚下注射了一種與之類似的充氣水凝膠來給予皮膚適當?shù)臄U張應力，并對表皮細胞的反應進行了詳盡的觀察。

最初，小鼠表皮細胞的體積擴大而皮膚單位面積內的密度降低，這似乎是一種皮膚為了應急的“權宜之計”。畢竟讓細胞體積擴大并非難事，但增加細胞數(shù)量卻需要一定的時間。

此后，科學家發(fā)現(xiàn)干細胞在從基底膜分化和向上運動的過程中感知到了外界的應力和自身的異常。之后這些干細胞會將這種感知傳給相鄰的干細胞并促進它們短暫地自我更新和分裂以應對可能出現(xiàn)的細胞數(shù)量缺失。

小鼠皮膚在經(jīng)受拉伸時干細胞的增殖、分化

（圖片來源：參考文獻3）

這就好比每個干細胞上都有一個開啟增殖模式的開關和一把鑰匙，當它們感知到應力的時候，原本處于正常工作模式的干細胞就會用鑰匙開啟旁邊干細胞的增殖開關讓他們短暫地變?yōu)樵鲋衬Ｊ揭栽黾蛹毎麛?shù)量，從而加速皮膚細胞的再生。

值得一提的是，研究人員們還發(fā)現(xiàn)并非所有干細胞都會響應外界的拉伸，只有一些特定的干細胞才會做出反應。

這些奇妙的發(fā)現(xiàn)為我們揭開了皮膚受到外力后能夠得以伸展的原因：

在遭受外力時，皮膚細胞能夠感知應力并作出反應——表皮細胞會調整自身的形狀，然后一些特定的皮膚干細胞會短暫地分裂增殖以擴充細胞數(shù)量，從而維持人體皮膚本來的完整性。

可以想象，孕婦肚子上的皮膚在逐漸變大的過程中之所以沒有因膨脹而破裂，就是因為其肚皮皮膚細胞的變形膨脹和干細胞增殖導致的細胞數(shù)量增多使皮膚像橡皮膜一樣韌性十足。

這次的最新研究成果證實了皮膚干細胞的全能性，也揭開了經(jīng)受強烈變形或外科手術后皮膚超強修復能力的背后原因。對于整形行業(yè)而言，這項研究也在客觀上為各種整形手術提供了一定的理論依據(jù)。不過，體質存在個體差異，美容醫(yī)療機構也有水平和經(jīng)驗的差別，選擇進行整容手術之前還是要做好充分的調研和準備。

作者：于曉麗

參考文獻：

[1]Nature：已在整形手術中運用了 60 多年的拉皮技術，原理是這樣的https://xw.qq.com/cmsid/20200809A0G1S800

[2]Stretch exercises for stem cells expand the skin Stretch exercises for stem cells expand the skinhttps://www.nature.com/articles/d41586-020-02158-y

[3]Mechanisms of mechanical-stretch-induced skin expansion revealedhttps://medicalxpress.com/news/2020-07-mechanisms-mechanical-stretch-induced-skin-expansion-revealed.htm

[4]Mechanisms of stretch-mediated skin expansion at single-cell resolutionhttps://www.nature.com/articles/s41586-020-2555-7

[5]Trebuňová, Marianna, et al. "NEW TECHNOLOGIES OF TISSUE EXPANSION-REVIEW ARTICLE."

責編：周曉明

來源：科普中國