大鼠表皮角化细胞分裂活性的拓扑学特征

1、大鼠表皮角化细胞分裂活性的拓扑学特征* 摘要为了探讨大鼠躯干背部皮肤表皮角化细胞的分裂活性是否因部位而有区别，常规石蜡切片和HE染色，通过核型观察计数分裂中期细胞。结果显示：在所研究的范围内，分裂活性随表皮的部位而异，分裂活性高低不同的角化细胞各自聚集成群，细胞群的大小约为10-3m数量级，大于已报告的变异尺度。而且在所观察的全部动物，在距背中线约10 mm处，均可看到1条与背中线大体平行的由低分裂活性细胞构成的细胞带。从比较解剖学看，这个部位相当于膀胱经经过的部位。结果提示，肾上腺素能神经末梢和缝隙连接的密集分布可能是这种表皮角化细胞分裂活性拓扑学特征形成的原因。关键词角化细胞分裂活性拓扑学

2、大鼠细胞增殖受基因、生长因子、激素等多种因素的调控，其中很多环节仍然不清。在多细胞有机体内，不同部位的同一种组织细胞增殖活性可能不同，决定这种差异的因素称为位置信号(positional signals)1。对于位置信号本质的研究不仅有助于阐明细胞增殖调控这一复杂过程，而且在组织移植和肿瘤控制等方面可能具有实际意义。表皮是研究位置信号的一个理想对象。因为：1.表皮覆盖于整个体表，不同位置的表皮局部环境各不相同；2.表皮角化细胞(主要是其中的基底细胞)处于不断分裂中，便于比较不同部位角化细胞增殖活性的差异；3.便于取材。迄今为止，有关表皮角化细胞增殖活性部位差异的研究仍然很不充分。Mackenz

3、ie2曾报告，角化细胞常以增殖单位形式存在，每个单位底部由10或11个基底细胞构成，增殖活跃的角化细胞主要位于单位周围。Lavker和Sun3报告，位于真皮乳头上板和表皮脊处的角化细胞分裂活性有明显差异。以上两种表皮角化细胞增殖活性差异的空间尺度均在10-4m的数量级，其形成的原因也尚待研究。本文报告了表皮角化细胞增殖活性随部位而变化的一种新形式，其空间尺度在10-3m数量级，并讨论了这种差异形成的可能原因。材料和方法实验所用皮肤取自雄性Wistar大鼠(重200300g)。为便于观察，注射秋水仙素(华美公司)使细胞有丝分裂停止在分裂中期。秋水仙素于上午910点钟注射，剂量为0.4mg/100

4、g体重。78h后，用3%戊巴比妥钠水溶液腹腔注射麻醉动物，并仔细剪除其躯干背部体毛。取材时考虑到：1.背中线两侧的表皮在结构和性质上应当是对称的；2.为便于切片，组织块不宜过大；3.根据比较解剖学，大鼠膀胱经线距背中线约1cm，应将其包括在观察范围之内。基于以上各点，每只动物仅取背中线一侧的皮肤，究竟取左侧还是右侧由抽签决定。具体做法是，由背中线开始向左(3只动物，No.13)或向右(6只动物，No.49)量取2cm，沿背中线方向在T7L5间也量取2cm，划出面积为4cm2的区域，用手术刀片沿标记线取下皮肤。所取大块皮肤立即投入2%甲醛固定液中，并垂直于背中线，将其进一部切分成3等份，在背中线

5、一侧的皮下组织中穿孔标记。在2%的甲醛固定液中固定4h，然后常规石蜡包埋。每只动物随机选取一块皮肤进行切片。切片方向垂直于背中线和皮肤表面，厚度89m。一些动物(6只，No.16)的皮肤每间隔约0.3mm取1张切片，另一些动物(3只，No.79)的皮肤连续切片。连续切片的动物经抽签确定。经HE 染色后，在1 000倍的光镜下由背中线起始到皮肤另一端止，计数每80 m长度表皮(在1 000倍下测微尺的长度)范围内处于分裂中期的细胞个数。由于切片的厚度和显微镜景深的限制，在一个焦面上只能看清一部分细胞。计数时，要轻轻调节显微镜的细调旋钮，将切片厚度范围内的所有分裂中期的细胞计算在内。所得数据用绘软

6、件Graftool 3.03.3绘。上述动物编号仅为了便于结果的整理，并不代表动物接受实验的时间顺序。结果经HE染色的大鼠背部皮肤切片如1所示。此处表皮一般可清楚地区分出基底层、棘细胞层、颗粒层和角质层。有丝分裂中期的细胞显示为体积增大，核膜消失，并可见到呈团块或条索状的染色体。这些细胞多数见于基底层，少数亦可见于棘细胞层。将每只大鼠所观察切片的数据合并，得到其在距背中线不同距离处每mm表皮中有丝分裂中期的细胞数的平均值，绘成直方(2)。由2可见，所有大鼠都有1个分裂中期细胞数最低的位置，除第9只动物外，这个位置都在距背中线912mm的地方。统计结果显示，这一最低值邻近区域的分裂中期细胞数也都

7、较低，和最低值没有显著性差异(P0.05)。(大鼠9分裂中期细胞数最低值位于距背中线5mm的地方，但其位于距背中线912mm处的分裂中期细胞数与最低值没有显著差异)。除此之外，其他位置上也零散地分布着一些与最低值没有显著差异的低细胞分裂区域。上述结果提示：角化细胞的有丝分裂活性随位置而变化，变化的区域可在毫米数量级内。所研究大鼠的共同特征是在距背中线912mm处的角化细胞的有丝分裂活性都较低，不论皮肤取自背中线的左侧还是右侧。为详尽了解表皮角化细胞的分裂活性随位置的变化，将大鼠各切片表皮分裂中期的细胞个数对距背中线的距离作，3是大鼠1间隔皮肤切片中随机选取的10张切片分裂中期细胞个数的分布情况

8、。由可见，每张切片都呈现明显的细胞分裂活性区域性差异，高分裂区域与低分裂区域相互间隔。低分裂区域(白色和蓝色)一般在0.51.5mm，高分裂区域(红色和黄色)可至3mm左右。高低分裂区域之间常有分裂活性居中的过渡区域(绿色)。每张切片都有23个低分裂细胞区域，其中一个总是落于距背中线912mm的地方。引人注意。3大鼠1躯干背部皮肤随机选取的10张切片（Y轴），第0.5mm长度表皮内分裂中期细胞数（Z轴，用不同颜色的色标表示在距背中线不同距离处（X轴）的分布。右侧每个色标旁的数字代表第0.5mm长度表皮内分裂中期细胞数。4大鼠8躯干背部皮肤连续切片，第0.5mm长度表皮内分裂中期细胞数（Z轴，用

9、不同颜色的煞费苦心标表示）在距背中线不同距离（X轴）处分布的三维重建。Y轴表示切片数。右侧每个色标旁的数字代表每0.5mm长度表皮内分裂中期细胞数。Fig.3In the direction perpendicular to the dorsal middle line (showed on X-axis, unit:mm), the destribution of mitotoic activity (showed on Z-axis by different coloru, unit: figure of keratinocytes in metaphase/0.5mm of epider

10、mis) observed in 10 different sections (show on Y-axis ) taking randomly from the trunk back skin of rat number 1.Fig.4In the direction perpendicular to the dorsal middle line (showed on X-axis, unit: mm), the 3-dimentional reconstruction of the distribution of mitotic ctivity (showed on Z-axis by d

11、ifferent coloru,unit: figrue of keratinocytes in metaphase/0.5mm of epidermis ) observed in 31 sections in series( showed on Y-axis) taking from the trunk back skin of rat number 8.在上述随机切片上所看到的经常出现于距背中线912mm处的低分裂活性区是否会在表皮中形成一条连续的细胞带?这一问题只能通过对连续切片的观察结果构筑三维重建来解决。4是大鼠8的连续切片分裂中期细胞个数在空间的分布情况。我们看到在分散切片中显现

12、的各分裂区域在相邻的连续切片中相互连接，形成一种镶嵌结构。其中，低分裂区域(白色或蓝色)形状不一，大小在0.010.04mm2之间，无规则的散落在高分裂区域(黄色、红色和紫色)之间。只有在距背中线912mm的地方，相邻切片的低分裂活性区彼此相连，形成一条与背中线大体平行的低分裂细胞带。这种现象在作了连续切片的3只动物(No.79)上均可见到。 29只大鼠在垂直于背中线方向角化细胞分裂活性分布的直方。纵坐标表示1只大鼠所观察的全部切片中有丝分裂中期细胞数的平均值(有丝分裂中期细胞数/mm表皮)，横坐标表示与背中线的距离(mm)。双箭头表示分裂中期细胞数最低值的位置；单箭头表示与分裂中期细胞数最低

13、值没有显著性差异(P0.05)的区域。每个右上角的数字代表动物编号，每只动物观察的切片数依次为：10、10、15、12、12、20、27、31和39Fig.2 Histograms illustrating the distribution of mitotic activity of keratinocytes in the direction perpendicular to the dorsal middle line. Ordinate represents the mean value of keratinocytes in metaphase observed in all the

14、 sections examined in an animal (unit: figure of keratinocytes in metaphase per millimeter of epidermis). Abscissa, the distances to the dorsal middle line (unit: mm). Double arrowhead represents the lowest value of mitotic activity, while single arrowhead indicates the values which are not signific

15、antly different from the lowest one (P0.05). The figure at the upper right corner of each histogram shows the numerical order of the aniaml. The numbers of sectons examined in each animal are 10,10,15,12,12,20,27,31, and 39, successively.讨论构成表皮的主要细胞成分角化细胞处于不断增殖过程中。分裂的角化细胞主要位于其基底层，少数位于棘细胞层。随着向表层的推移，细

16、胞的分化程度逐渐增加，并丧失分裂活性。本研究观察到的结果与此相符。人们已经注意到，角化细胞的增殖活性因部位而异。例如，手足掌的角化细胞的增殖活性明显高于身体其他部位4,5。这种部位差异的空间尺度在10-2m数量级。角化细胞增殖活性的部位差异也存在于较小的范围内。有人曾报告，位于表皮增殖单位周围和中心的角化细胞以及位于真皮乳头上板和表皮脊的角化细胞的增殖活性均不相同2,3，这类部位差异的空间尺度在10-4m数量级。本文报告了角化细胞增殖活性随部位变化的一种新类型：在解剖部位大体相同(如本研究的大鼠背部)的表皮中，增殖活性高低不同的角化细胞各自聚集成群，并彼此分隔，形成一种复杂的镶嵌结构。每一个增

17、殖活性类似的细胞群的大小都在10-3m数量级，其空间尺度在前两种类型之间。角化细胞增殖活性随部位变化的这种类型是否存在于身体其他部位或其他物种还不清楚。这种增殖活性的分布特点与干细胞分布的关系也尚待研究。角化细胞增殖的调控机理一直受到关注。体内外实验都证明，肾上腺素类物质在适当浓度下可抑制角化细胞的有丝分裂6,7。另一方面，在多种细胞已证明，细胞连接通讯对细胞增殖具有调控功能8，9。因而有研究认为，表皮增殖单位中心与周围的角化细胞以及表皮脊与真皮乳头上板的角化细胞在增殖活性上的差异，可能是由于这些部位角化细胞连接通讯能力的差异造成的10，11。本文报告的由增殖活性不同的角化细胞群构成的镶嵌结构

18、的形成原因仍然不清。值得注意的是，距背中线10 mm附近区域的角化细胞，在所观察的9只动物中，8只角化细胞增殖活性的最低值都出现于这个区域，第9只动物在该区的角化细胞的增殖活性也较低，虽然其最低值出现于距背中线5mm处，提示可能有个别动物偏离上述规律，这些异常动物在群体中的比例尚待研究。在进行连续切片观察的3只动物，距背中线10mm附近的低分裂活性角化细胞均构成一条连续的细胞带，从比较解剖学看，这条细胞带的位置相当于膀胱经循行的路线，因而它的解剖学特点在经络研究中倍受重视。从已有的资料看，这个部位的皮肤在形态学上至少有2个特点，这就是，其真皮中有比周围更为丰富的肾上腺素能神经末梢12，而其表皮

19、中则有密集的缝隙连接13。结合前面的讨论，也许正是这两个特点决定了该处的角化细胞形成了一条连续的低分裂活性的细胞带。如果这一假设是正确的，那么，在其他经脉循行线的表皮中也应当能够看到由低分裂活性的角化细胞所构成的连续细胞带。这需要进一步的实验加以证实。本工作中的石蜡切片由北京师范大学生物系刘里远博士协助完成，实验工作进行与论文完成过程中，本校生物遗传教研室柳家英教授、组织胚胎学系孙品伟教授、病理学系邹万忠教授都曾给予有益的建议，谨此一并致谢。收稿 1997-07修回 1998-05本文3见插第2页 1大鼠躯干背部皮肤石蜡切片经HE染色后的照片。箭头所指为典型分裂中期细胞Fig.1 Photog

20、raph of paraffin section of skin taking from rat trunk back after HE staining.Arrowheads indicate typical cells in metaphase.Bar=20m参考文献1Alberts B, Bray D, Lewis J, et al. Molecular Biology of the Cell.2nd ed. New York and London: Garland Publishing, Inc, 1989:7602Mackenzie IC. Relationship between

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