お腹が破裂しないようにどれだけ一生懸命働いているか知っていますか?

私たちの皮膚（表皮）は伸縮性があることは誰もが知っていますが、その背後にある科学は驚くほど単純です。

表皮が伸びる理由は、細胞量の増加と細胞数の増加の 2 つです。しかし、長期的な外力を受けて表皮が伸びる生理学的メカニズムが科学者によって解明され、幹細胞が再び重要な役割を果たすようになったのはごく最近のことである。

私たちは顔をゆがめるとき、まぶたや顔の皮膚を伸ばしますが、手を離すとすぐに元の形に戻ります。

これは皮膚の伸縮能力の典型的な例です。

(画像出典: flickr/lincolnblues)

今年5月30日、中国科学院幹細胞・再生医学研究所などが共同で発表した研究論文で、幹細胞が皮膚の修復に果たす具体的なメカニズムがさらに明らかにされた。

関連する研究結果は、雑誌「Frontiers in Cell and Developmental Biology」にオンラインで発表され、論文の著者は全員中国の研究機関の出身者である。

肌が自己修復するためにどれほど一生懸命働いているかご存知ですか?

妊娠中、女性の腹囲は通常より20〜30cm増加し、お腹がボール状に膨らむことがあります。妊婦のお腹が破裂するなんて聞いたことがありません。複数の赤ちゃんを妊娠している母親でも、赤ちゃんの成長とともにお腹のサイズが徐々に大きくなることがあります。

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同じ原理に基づいて、豊胸手術、鼻の増大手術、フェイスリフトなどの美容整形手術は、皮膚の欠陥を引き起こすことなくスムーズに実行できますが、これも皮膚の張力と伸縮性に関係しています。医学界はこの皮膚特性の恩恵を享受してきましたが、その背後にある具体的なメカニズムを明確に説明できる人は誰もいません。

ベルギーと英国の研究チームがこの疑問の答えを見つけ、関連する研究がネイチャー誌に掲載されたのは2020年になってからだった。皮膚のいたるところに存在する幹細胞が、自己修復の負担を負う皮膚を助けるために再び「懸命に働いている」ことが判明した。その後、科学者たちは皮膚の修復過程における幹細胞の役割について徹底的な研究を続けました。中国の科学者による今回の研究結果により、このプロセスにおいて決定的な役割を果たすいくつかの重要な調節因子が明らかになった。

表皮は妊婦のお腹の膨張のボトルネックである

お腹の構造をよく見てみると、下層は筋肉、中層は脂肪を主成分とする皮下組織、上層は真皮と表皮を含む皮膚であることがわかります。表皮を除いて、上記のすべての構造は強力な膨張および収縮変形能力を備えており、妊娠によって引き起こされる変形に十分対応できます。

妊娠中の腹部と胎児の図（図書館の著作権画像、無断転載禁止）

しかし表皮は違います。表皮にもある程度の伸縮性がありますが、その伸縮性はゆっくりとした伸張の過程で徐々に反映されます。

つまり、女性のお腹が突然妊娠10ヶ月分の大きさまで大きくなったら、本当に表皮が破裂してしまう可能性があるのです。 （実際、妊娠後期には、まず真皮が耐えられなくなり、妊娠線ができてしまうことがあります。）

ストレッチマーク（ギャラリーからの著作権画像、転載禁止）

表皮の伸縮能力は外科手術や美容処置にも反映されます。たとえば、豊胸手術後、最初は乳房の皮膚が引き締まったように感じるかもしれませんが、手術後すぐに滑らかで自然な外観に戻ります。しかし、その背後にあるメカニズムは何でしょうか?この問題を理解するには、皮膚の構造について話す必要があります。

皮膚の構造と再生

外部の病原体に対する人体の最初のバリアとして、皮膚の貢献は見落とされがちです。実際、皮膚のバリアがなければ、細菌は簡単に人体の組織に大規模に侵入することができます。

皮膚は人体の中で最も大きな器官であり、ある程度の弾力性を持っています。それだけでなく、皮膚に外部からのストレスがかかると、皮膚も膨張、つまりゆっくりと成長します。

皮膚は主に表皮、基底膜、真皮の3つの部分で構成されています。表皮は最も外側にある層で、外側から内側に向​​かって、角質層、透明層、顆粒層、有棘層、基底層が含まれます。角質層は最も厚い部分であり、人体の第一防衛線として当然の役割を果たしています。

基底膜は、表皮の基底層と真皮の間に挟まれた最も薄い層です。真皮は表皮より数十倍も厚く、身体にかかる圧力や負担を緩和できる結合組織で構成されています。真皮は弾力性に優れ、血管、神経、リンパが通っています。

皮膚とその下の筋肉組織（ギャラリーからの著作権画像、転載禁止）

葉が枯れたり成長したりするのと同じように、皮膚も絶えず脱落と再生を繰り返しており、このプロセスは皮膚幹細胞と密接な関係があります。

皮膚幹細胞は皮膚に存在する細胞の一種で、非常に強い増殖・分化能力を持っています。それらは皮膚の拡張と修復に深く関係しています。皮膚幹細胞は分裂して 2 種類の異なる細胞を生成することで再生に関与しますが、どちらの細胞も最初は基底膜に存在します。

表皮の角質層が剥がれ落ちると、これらの細胞は基底膜層から始まり、外向き拡散のプロセスのように表皮を通って内側から外側へ移動します。角質層は複数の分化段階を経て表皮角質層に移動し、新しい角質層となり、皮膚の新陳代謝の完全なプロセスを構成します。

このプロセスは約 48 日ごとに繰り返されるため、肉眼ではまったく見えません。

皮膚を伸ばすと何が起こるのでしょうか?

皮膚幹細胞による通常の皮膚再生プロセスに加えて、突然の機械的ストレスを受けた場合、皮膚はサイズと形状を調整してそのような変化に抵抗し、身体の最初のバリアとしての機能を維持します。

臨床診療では、医師は膨張可能な「皮膚拡張器」を皮膚の下に埋め込み、わずかに拡張することで、覆っている皮膚にわずかなストレスを感じさせ、皮膚の再生と伸張を早めます。

さまざまなタイプのスキンエキスパンダー

（画像出典：参考文献5）

この「皮膚拡張器」は、ベルギーと英国の科学者による研究にインスピレーションを与え、彼らは同様の膨張性ハイドロゲルをモデルマウスの皮膚の下に注入して皮膚に適切な拡張ストレスを与え、表皮細胞の反応を詳細に観察しました。

当初、マウスの表皮細胞の体積は増加し、皮膚の単位面積あたりの密度は減少しましたが、これは緊急事態に皮膚が対応するための「一時的な措置」であるように思われました。結局のところ、細胞の体積を増やすことは難しくありませんが、細胞の数を増やすにはある程度の時間がかかります。

それ以来、科学者たちは、幹細胞が分化して基底膜から上方へ移動する過程で、外部からのストレスや自身の異常を感知することを発見しました。これらの幹細胞は、この情報を近隣の幹細胞に伝え、細胞数の減少の可能性に応じて、幹細胞が短時間自己複製して分裂するように促します。

伸張を受けたマウス皮膚における幹細胞の増殖と分化

（画像出典：参考文献3）

それぞれの幹細胞には増殖モードをオンにするスイッチと鍵があるようなものです。もともと正常な作業モードだった幹細胞は、ストレスを感知すると、キーを使用して隣接する幹細胞の増殖スイッチをオンにし、一時的に増殖モードに切り替えて細胞数を増やし、皮膚細胞の再生を加速させます。

研究者らは、すべての幹細胞が外部からの伸張に反応するわけではなく、特定の幹細胞のみが反応することを発見したことも特筆に値します。

これらの興味深い発見は、外力を受けたときに皮膚が伸びることができる理由を明らかにしています。

外部からの力を受けると、皮膚細胞はストレスを感知して反応します。表皮細胞は自身の形状を調整し、その後、特定の皮膚幹細胞が短時間分裂して増殖し、細胞数を増やして、人間の皮膚本来の完全性を維持します。

妊婦さんのお腹の皮膚がだんだん大きくなっても膨張して破れないのは、お腹の皮膚細胞の変形や膨張、幹細胞の増殖による細胞数の増加によって、皮膚がゴムの膜のように硬くなっているからではないかと想像できます。

最新の研究結果により、皮膚幹細胞の万能性が立証され、重度の変形や外科手術後の皮膚の優れた修復能力の理由が明らかになりました。美容整形業界にとって、この研究はさまざまな美容整形手術に対する一定の理論的根拠を客観的に提供します。しかし、体質には個人差があり、美容医療機関によってもレベルや経験に差があります。美容整形手術を受けることを選択する前に、十分な調査と準備を行う必要があります。

参考文献:

[1] 自然：フェイスリフト技術は60年以上にわたって形成外科で使用されてきました。原則は次のとおりです：https://xw.qq.com/cmsid/20200809A0G1S800

[2]幹細胞のためのストレッチ運動で皮膚が広がる 幹細胞のためのストレッチ運動で皮膚が広がるhttps://www.nature.com/articles/d41586-020-02158-y

[3]機械的伸張による皮膚拡張のメカニズムが明らかにhttps://medicalxpress.com/news/2020-07-mechanisms-mechanical-stretch-induced-skin-expansion-revealed.htm

[4]単一細胞解像度でのストレッチ媒介皮膚拡張のメカニズムhttps://www.nature.com/articles/s41586-020-2555-7

[5]トレブジェノバ、マリアンナ、他。 「組織拡張の新技術 - レビュー記事」

この記事は中国科学普及協会が作成し、中国科学普及博覧会が監修しています。

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