大家都知道，我们的皮肤（表皮）具有伸展性，但它背后的科学原理却简约而不简单。表皮得以伸展的原因不外乎两种，细胞体积的增大和细胞数目的增加。然而，直到最近，科学家才揭开表皮在长期外力下能够伸展的生理机制，干细胞又一次发挥了关键作用。

我们做鬼脸时拉长眼皮，拉长脸上的皮肤，但放手后它们立刻就会恢复原状，这就是皮肤具有伸展性的最经典案例

（图片来源：flickr/ lincolnblues）

今年5月30日，由中国科学院干细胞与再生医学创新研究院等单位共同发表的研究论文，对干细胞在皮肤修复过程中发挥作用的具体机理进行了进一步的揭示。相关成果由《Frontiers in Cell and Developmental Biology》杂志在线发表，论文全体作者均来自中国本土的研究机构。

一、你知道皮肤的自我修复有多努力吗？

孕妇怀孕期间，腹围可以比正常状态下增大20-30厘米，肚皮隆起成球状。我们从来没听说过哪个孕妇把肚皮撑破，即便是那些怀了多胞胎的妈妈们，肚皮也能随着婴儿的发育而逐渐增大。

怀孕的女性

（图片来源：pixabay）

同样的原理，整形医学界的“隆胸”、“垫鼻梁”以及“拉皮”等手术能够顺利实施而不会造成皮肤缺损，也与皮肤的抗拉和伸展特性有关。医学界虽然一直在享受皮肤这种特性带来的好处，但其中的具体机理却谁也说不清楚。

直到2020年，来自比利时和英国的研究团队找到了问题的答案，相关研究也登上了《自然》杂志。原来，无处不在的干细胞又一次“奋力”地帮皮肤扛起了自我修复的重担。之后，科学家们继续对皮肤修复过程中干细胞发挥的作用进行深入研究。中国科学家们本次的研究成果就揭示了在这一过程中起到决定性作用的数个关键调控因子。

二、孕妇肚皮的膨胀过程中，表皮才是瓶颈

如果我们仔细考虑一下肚皮的构造，可以发现它的底层是肌肉，中间是脂肪为主的皮下组织，顶层是皮肤，包括真皮和表皮等。以上结构中，除了表皮，都有很强的伸缩变形能力，应付怀孕这点变形绰绰有余。

怀孕时腹部和胎儿示意图

（图片来源：veer图库）

但表皮则不同，虽然表皮同样有一定伸展性，但表皮的伸展能力要在缓慢的拉伸过程中慢慢体现。换句话说，如果一瞬间让女性的肚皮变成怀胎十月那么大，可能表皮真有撑破的可能。（其实，怀孕后期真皮可能反而先撑不住了，后果就是形成妊娠纹。）

妊娠纹

（图片来源：veer图库）

外科手术和美容手术之中，表皮的伸展能力也会有所体现。例如隆胸手术后胸部皮肤最初可能会有紧绷感，但术后很快就能恢复平滑自然的外观。但是其中的机理到底是什么呢？要想搞清这个问题，还得说一说皮肤的结构。

三、皮肤的结构和再生

作为人体应对外界病原的第一屏障，皮肤的贡献往往被人忽略，其实要是没有皮肤的阻挡，细菌很容易大面积入侵到人体组织中。

皮肤是人体分布面积最大的器官，拥有一定的弹性。不止于此，在给予皮肤外界应力的同时，皮肤还会发生扩张，即缓慢的生长。

皮肤主要由表皮、基底膜和真皮三部分构成。其中表皮位于最外层，从外向内分别是角质层、透明层、颗粒层、棘层和基底层，其中角质层是最厚的一部分，也是实至名归的人体第一防线。基底膜是最薄的一层，夹在表皮的基底层和真皮之间。真皮层比表皮层厚几十倍，由结缔组织组成，可以缓冲身体受到的压力及应变。真皮层弹性良好，并具有贯穿其中的血管、神经和淋巴。

皮肤及下方肌肉组织（Epidermis：表皮、Dermis：真皮、Hypodermis：皮下组织）

（图片来源：wikipedia）

像是树叶的凋零和生长一样，皮肤时时刻刻也伴随着脱落和再生，这一过程又与皮肤干细胞息息相关。皮肤干细胞是存在于皮肤中的一类有极强增殖和分化能力的细胞，与皮肤的扩张和修复都有密切的联系。皮肤干细胞可以通过分裂产生两种不同种类的细胞参与再生，它们最初都存在于基底膜。在表皮角质层脱落以后，这些细胞从基底膜分层出发，通过表皮层由内向外移位，好像一个向外扩散的过程。经历多个分化阶段，直到移至表皮角质层中成为新的角质层，构成皮肤新陈代谢的完整过程。这一过程大约48天循环一次，所以肉眼根本不可见。

四、被拉伸时，皮肤发生了哪些变化？

除了皮肤干细胞主导的常规性皮肤再生过程，当受到突如其来的机械应力时，皮肤会通过调整其大小和形状来抵抗这样的变化，以保持皮肤作为人体第一屏障的功能。临床上医生们将可充气的“皮肤扩张器”埋入皮肤下方并使其轻微膨胀，使覆盖在上方的皮肤感受到微小的应力进而促进皮肤更快的再生与伸展。

不同类型的皮肤扩张器

（图片来源：参考文献5）

这种“皮肤扩张器”给比利时和英国科学家提供了研究的灵感，他们在模型小鼠的皮肤下注射了一种与之类似的充气水凝胶来给予皮肤适当的扩张应力，并对表皮细胞的反应进行了详尽的观察。

最初，小鼠表皮细胞的体积扩大而皮肤单位面积内的密度降低，这似乎是一种皮肤为了应急的“权宜之计”。毕竟让细胞体积扩大并非难事，但增加细胞数量却需要一定的时间。此后，科学家发现干细胞在从基底膜分化和向上运动的过程中感知到了外界的应力和自身的异常。之后这些干细胞会将这种感知传给相邻的干细胞并促进它们短暂地自我更新和分裂以应对可能出现的细胞数量缺失。

小鼠皮肤在经受拉伸时干细胞的增殖、分化

（图片来源：参考文献3）

这就好比每个干细胞上都有一个开启增殖模式的开关和一把钥匙，当它们感知到应力的时候，原本处于正常工作模式的干细胞就会用钥匙开启旁边干细胞的增殖开关让他们短暂地变为增殖模式以增加细胞数量，从而加速皮肤细胞的再生。值得一提的是，研究人员们还发现并非所有干细胞都会响应外界的拉伸，只有一些特定的干细胞才会做出反应。

这些奇妙的发现为我们揭开了皮肤受到外力后能够得以伸展的原因：在遭受外力时，皮肤细胞能够感知应力并作出反应——表皮细胞会调整自身的形状，然后一些特定的皮肤干细胞会短暂地分裂增殖以扩充细胞数量，从而维持人体皮肤本来的完整性。可以想象，孕妇肚子上的皮肤在逐渐变大的过程中之所以没有因膨胀而破裂，就是因为其肚皮皮肤细胞的变形膨胀和干细胞增殖导致的细胞数量增多使皮肤像橡皮膜一样韧性十足。

这次的最新研究成果证实了皮肤干细胞的全能性，也揭开了经受强烈变形或外科手术后皮肤超强修复能力的背后原因。对于整形行业而言，这项研究也在客观上为各种整形手术提供了一定的理论依据。不过，体质存在个体差异，美容医疗机构也有水平和经验的差别，选择进行整容手术之前还是要做好充分的调研和准备。

参考文献：

Nature：已在整形手术中运用了 60 多年的拉皮技术，原理是这样的

https://xw.qq.com/cmsid/20200809A0G1S800

Stretch exercises for stem cells expand the skin Stretch exercises for stem cells expand the skin

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02158-y

Mechanisms of mechanical-stretch-induced skin expansion revealed

https://medicalxpress.com/news/2020-07-mechanisms-mechanical-stretch-induced-skin-expansion-revealed.html

Mechanisms of stretch-mediated skin expansion at single-cell resolution

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2555-7

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

出品：科普中国

作者：于晓丽（中山大学）

监制：中国科普博览

来源: 中国科普博览

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