Ch.4 Developmental Biology of the Skin 皮膚發育生物學

1. Skin Layers & Cell Types（皮膚分層與細胞種類）

At-a-glance，p.49。

• 皮膚發育和其他器官一樣，是由較 pluripotent 的細胞逐步走向特化分化的細胞。p.49
• Keratinocytes：表皮的核心細胞，形成 intermediate filament keratins，提供細胞結構韌性。Fibroblasts：真皮的核心細胞，分泌 collagen。p.49
• Appendages：keratinocytes 與 fibroblasts 共同組成 hair follicles、eccrine sweat glands、apocrine glands、nail unit。p.49
• Melanocytes 主要位於表皮，合成 melanin 吸收、阻擋 UV；Langerhans cells 主要位於表皮，內吞並呈現抗原以啟動免疫反應；Merkel cells 位於表皮，感受觸覺。p.49–50
• Immune cells（T cells、B cells、dendritic cells、macrophages、neutrophils、mast cells）在別處發育，但是皮膚的重要成分。p.50
• 皮膚最首要的功能是 barrier，表皮發育成精細的分層排列，最成熟的表層對外來物質侵入最具抵抗力；其他功能包括抵抗外傷、UV 防護、抵禦感染、感覺、thermoregulation、energy metabolism，各系統發育速度不同。p.50
• Teeth 與 hair 的形成也採用與表皮相同的 keratinocyte 成熟排列；一般表皮的死亡 keratinocytes 會規律脫落，hair 與 teeth 則保留這些細胞形成最終的 keratinized 結構。p.50
• 表皮在受壓較大的 palms and soles 較厚，在 eyelids 等處較薄；各層由不同 keratins 定義，keratins 也因部位而異。p.50
• 表皮最多的蛋白是 keratins，真皮最多的蛋白是 collagens。Hypodermis 的 adipocytes 較多、collagen 少得多，血管與神經口徑較大。p.50

2. Central Developmental Signaling Pathways（主要發育訊號路徑）

At-a-glance，p.50。

3. General Embryonic Development & Timeline（胚胎發育總覽與時間表）

• 人類妊娠 40 weeks，週數通常從 last menstrual period 起算；約 8 weeks 手腳發育並出現動作後稱為 fetus。p.50–52
• First trimester（weeks 0–12）：器官發生大致完成。Second trimester（weeks 12–26）：持續發育，例如出現 downy hair。p.52
• Third trimester（weeks 26–40）：大部分發育完成，包括由皮膚形成 vernix caseosa，其功能被認為是在通過產道時潤滑115-05。p.52
• 皮膚功能在出生時仍未完全成熟，最終完整的屏障形成發生在出生之後115-05。p.52
• 最複雜的步驟發生在最早期，皮膚在發育頭 2 weeks 內開始形成：morula → blastula → gastrula → somatogenesis → organogenesis。p.52
• Blastula 兩部分：trophoblast（成為胎兒來源的胎盤部分：chorion、amnion、allantois）與 inner cell mass（ICM）（成為胚胎本身）。ICM 分化為三胚層即成 gastrula，是皮膚發育與其他器官分開的第一個階段。p.52

p.52；例外：some fibroblast subpopulations 被認為來自 neural crest（ectoderm 來源）。

Table 4-1 Important developmental stages（皮膚發育重要階段）

Table 4-1，p.52（已對照原頁圖片）。註：內文寫 periderm 在 15 days 形成、intermediate layer 在約 60 days 形成（p.53），與表格週數略有出入。

Vernix caseosa 與新生兒屏障（跨章補充，考點）

• Vernix caseosa 在 third（last）trimester 覆蓋全身，是 water、proteins、lipids 的複雜混合物：含水而腫脹的 fetal corneocytes 分布在無定形的 lipids 中115-05；保護表皮免受羊水影響，並促進其下方 stratum corneum 形成。p.224（ch14）
• Vernix 含 lysozyme、lactoferrin 等抗菌成分，具 antifungal 與 antibacterial 活性；這些證據暗示出生後保留 vernix、而非立即擦除有其價值，如 WHO 所建議115-05。p.224（ch14）
• 妊娠 28 weeks 前出生的嬰兒缺乏 vernix 覆蓋115-05；早產兒表皮屏障弱、真皮機械性脆弱。p.224（ch14）
• 足月新生兒出生後最初數小時皮膚乾燥後，TEWL 已與成人相當（equivalent to that seen in adults）115-05；部位與環境溫濕度會造成變異，diaper area 的 TEWL 較高。p.1728（ch103）

4. Neural Crest & Somite Development（神經嵴與體節）

• Neural crest 參與 melanocytes 與 fibroblasts 的形成，因此與一些 neural crest 未正常成熟的疾病有關。p.52
• Neural crest 發育始於胎兒 third week：ectoderm 形成 neural plate，neural plate 與 ectoderm 交界隆起處即 neural crest；neural plate 脫離成 neural tube 後，neural crest cells 不留在 ectoderm 或 neural tube，而是游離在 mesoderm 中。p.52
• Head：neural crest 甚至在 neural tube 閉合前就遷移，參與臉部與前頭皮的 dermal fibroblasts；trunk：遷移是最後發生的事件。p.53
• Neural crest cells 被認為會分泌 Wnt1，活化 β-catenin。p.53
• 未完成遷移、未分化為 melanocytes 而殘留的 neural crest cells，被假設（hypothesized）與 common blue nevi 有關。p.53
• 到第 3 週時（by the third week），mesoderm 凝聚成規則的 somites（neural tube 兩側），主要形成 axial skeleton 與 muscles；early somite fibroblasts 也是 dermal fibroblasts 前驅；其中許多（尤其背部等部位）來自 somite 背外側（dermatomyotome）。p.53
• 非 melanocyte 的 neural crest 遷移缺陷疾病：DiGeorge syndrome（22q11.2 deletion）→ cardiac、craniofacial、endocrine organs 等缺陷。p.53

5. Epidermis Differentiation（表皮分化）

• Keratins 是 intermediate filaments；成熟表皮各層有特徵 keratins，通常是一個 type I 加一個 type II 配對；部分 keratin 突變造成 epidermolysis bullosa。p.53
• 表皮最終在空氣介面運作，卻在 amnion 液體環境中發育，因此有一生僅此一次的階段：periderm → intermediate layer → full maturation。發育在 first trimester 大致完成，但出生後才完全完成。p.53

p.53。Figure 4-2（p.54）標示：surface ectoderm 與 periderm K8/K18+、intermediate layer K1/K10+、basal layer K5/K14+；圖中 week 4–5、5–6、8–10、12 各階段。

• Periderm 的假設功能：運送或隔離來自 amnion 的物質、調節真皮、協助上皮成熟。近期證據提示（suggests）它也是防止相鄰上皮發生病理性沾黏的保護層，缺乏 periderm 會導致 human cocoon syndrome。p.53
• Barrier 形成有方向性（至少在小鼠）：從 dorsum 與 head 開始，往後方並朝背、腹中線進行。p.53
• 成熟表皮的特徵：low transepidermal water loss 與 full exclusion of dyes，要到出生後才達到115-05。p.53

Barrier defects → ichthyosis（屏障缺陷 → 魚鱗癬）

• 屏障建立缺陷與 clinical ichthyosis syndromes（defects in cornification）相關。p.53
• Perhaps 最常見的是 ichthyosis vulgaris：filaggrin 缺陷（filaggrin 存在於上層表皮的 keratohyalin granules，granular layer 因此得名）。p.53
• 其他：suprabasal keratins（KRT1、KRT10）缺陷、交聯蛋白質的 transglutaminases、cornification 所需的 lipid-metabolizing enzymes（ALOX）。p.53

6. Mesenchyme, Fibroblast & Adipose Development（間質、纖維母細胞與脂肪）

Fibroblast heterogeneity by body site（依部位的異質性）

p.55。這種來源差異 might 部分解釋部位差異，例如頭部毛囊密度高於腹部。

• Fibroblasts 帶有特定的 HOX gene 組合，即使培養後仍保留，決定 proximal–distal 位置，例如 palms and soles 厚而無毛的皮膚。p.55
• Mesenchymal cells 被視為 keratinocyte 功能的調控者（證據 somewhat mixed）；tissue-swapping 研究中，fibroblasts 在某些情況可「reprogram」keratinocyte 功能。p.55

Upper vs lower dermal lineages（上、下真皮兩系，小鼠研究）

p.55。另有一群發育時高表現 engrailed（eng1）的 fibroblasts 會促進傷口疤痕；nephronectin 是 hair follicle stem cell compartment 誘導 arrector pili muscle 分化的成熟訊號。

• Fibroblasts（尤其 dermal papillae 與 hair sheath 周圍）在培養中保有分化為 bone、fat 的能力；但 bone marrow 來源的 mesenchymal stem cells 被認為不同於多數常駐 dermal fibroblasts，不參與真皮形成；pericytes 也 likely 不參與。p.55

Adipose（脂肪）

• Adipocytes 由 lower dermal fibroblast progenitors 發育而來；除了 energy balance，近年也發現參與 immune surveillance 與協調 hair cycling。p.55
• White adipose 以 lipid 形式儲存能量；brown adipose 藉 uncoupling of oxidative phosphorylation 燃燒能量產熱，人類被認為位於 paracervical／interscapular 與 supraclavicular 的皮下組織。p.55
• PPARγ 對 white 與 brown 都重要；Prdm16 appears 對 brown adipose 發育特別重要。p.55

Clinical correlates（臨床相關）

• Focal dermal hypoplasia（Goltz syndrome）：PORC 突變（與 Wnt 分泌有關）；dermal atrophy 表現為沿 Blaschko lines 的軟、黃到紅色 nodules（fat herniations），以及皮膚缺損處的 ulcers 等。p.55
• Berardinelli-Seip lipodystrophy：脂質合成基因 AGPAT2 缺陷 → adipose 無法發育。p.55

7. Melanocyte Differentiation（黑色素細胞分化）

• 人類表皮在 EGA eighth week 可偵測到 melanocytes。p.56
• 來自 neural crest；前驅是 SOX10-positive progenitor，也可分化為 glial cells。分化為 melanocyte 時開始表現 MITF，以及 DCT、KIT。p.56
• 前驅細胞可失去 MITF 與 KIT 表現，回到 melanoblast（adult melanocyte stem cells），居住在 hair follicle bulge；經 asymmetric divisions 成為表現 TYR（tyrosinase）的成熟 melanocytes，供應毛髮色素。p.56
• Melanoblasts 也被認為會歸巢到 sweat glands，might 與 acral melanomas 有關；這些 stem cells 也供應 interfollicular melanocytes，最明顯的是 vitiligo 病人接受 UV therapy 時。p.56
• Melanoma 的假說之一：發育時大幅遷移的能力 might 在轉移潛能中重現。p.56
• Dermal melanocytes 發育期較多、成人較少，但被認為出生後仍殘留於 dorsa of hands and feet、sacrum／buttocks、scalp，這些也是 blue nevi 常見部位。p.56
• Piebaldism：melanocyte 遷移受阻，例如 c-kit growth factor signaling 缺陷 → 局部 albinism。p.56

8. Cutaneous Nerves & Merkel Cells（皮膚神經與 Merkel 細胞）

• Sensory nerves 可依感覺種類（touch vs temperature）、位置，最常依 myelination 程度（Aβ、Aδ、C fibers）分類。p.56
• 皮膚 sensory neurons 來自 trigeminal ganglia（頭部）或 dorsal root ganglia（其他部位）；在 motor neurons 之後發育，持續延伸到組織周邊。p.56
• 引導分歧的訊號 likely 來自 keratinocytes，目前候選包括 heparin sulfate proteoglycans 與神經上的 leukocyte-antigen–related family receptors。p.56
• Merkel cells：調節哺乳類觸覺受器；由 basal-layer keratinocytes 發育而來（KRT14+ keratinocytes 刪除 Atoh1 的小鼠沒有 Merkel cells）；最早在 12 weeks EGA 出現，volar sites、appendages、nerves 密度特別高。p.56
• 舌頭 taste buds 也是由 keratinocytes 發育出的上皮感受器，顯示 keratinocytes 與 neuronal-like cells 間的發育可塑性。p.56

9. Adnexal Development（附屬器發育）

• Skin appendages 的發育與肢體 appendages 有相似處：小鼠刪除 β-catenin 或 p63 會同時造成肢體畸形與皮膚附屬器形成異常。p.56
• 成人毛髮週期部分重現發育過程，但正常週期中 bulge stem cell compartment 被保留，發育時則是 de novo 形成；至少在小鼠，成人 may 完全重現毛囊器官發生，連 stem cell compartment 都重新形成。p.56

Hair follicle（毛囊）

• 起始：過去一種共識是毛髮發育最早一步由 keratinocytes（而非 fibroblasts）的 β-catenin 活性啟動，此看法已改變，現在認為 keratinocytes 與 fibroblasts 的 β-catenin 活性啟動 might 實際上同時。Activators 與 inhibitors 的 reaction–diffusion 數學模型可產生規則重複的節點，與毛囊規則排列相似，提示體內可能如此；patterning 訊號被認為包括 Wnt、BMP、FGF 等。p.56–58
• 毛髮發育大綱與 teeth、mammary glands 等結構相似。p.58

p.58；Figure 4-3（p.57）列出毛囊各期訊號。

• Bulge：hair follicle stem cell compartment，約位於 arrector pili muscle 與 sebaceous gland 之間（isthmus）；新的 stem cell 群中許多以 LGR family Wnt coreceptors 標記，部分甚至在 bulge 外。p.58
• β-catenin 活性 perhaps 對 appendage 發育最重要：keratinocyte 中 β-catenin 活化的小鼠會長出 supernumerary hair follicles。p.58
• 下游必要的 EDA／EDAR：人類 EDAR 突變 → 出生時 hair follicles 與 sweat glands 較少。p.58

Sebaceous gland（皮脂腺）

• 分化依賴低 β-catenin 活性，以及 c-Myc、androgen receptor、p53 等。p.58
• 在 bulbous peg 期由 SOX9+ LRIG1+ hair follicle keratinocyte stem cells 發育，時間為胎兒第 13th–14th weeks。p.58
• Sebaceous glands 在 embryogenesis（製造 vernix caseosa）與 puberty 較活躍，兒童期活性下降115-05。p.58
• 典型 sebaceous glands 一定與毛囊相連；orphan sebaceous glands：eye 的 meibomian gland、mouth 的 Fordyce spots、prepuce 的 Tyson glands、female areola 的 Montgomery glands。p.58

Nail, sweat gland, apocrine, dermatoglyphs（指甲、汗腺、頂泌腺、皮紋）

• Sweat gland 與 nail 發育需要 EDAR；自然變異 EDAR V370A 造成 thick hair、incisor tooth shoveling、eccrine sweat gland 密度增加。p.58
• 如同 lanugo，指甲也有一個 preliminary nail，在 second trimester 於子宮內完成後脫落。p.58
• Nail 發育需要 HOX programming：nail-patella 病人有 LMX1b 突變。p.58
• Volar 皮膚 sweat glands 約 12–13 weeks EGA 發育，其他部位在 20 weeks，和毛囊一樣經 placode 形成。p.58
• Apocrine glands 位於 axillae 與 genitals 等荷爾蒙反應區；小鼠大部分（if not all）部位沒有 apocrine glands，所以發育研究很少。p.58
• Dermatoglyphs（指紋皮嵴）：約 week 7 EGA 手掌腳掌出現 volar pads（成群 fibroblasts）；volar pads 消退時，基底層局部增生形成 epidermal ridges。p.58

10. Vasculature & Lymphatics（血管與淋巴管）

• 血管 stem cells 稱 angioblasts，由 mesoderm 經 Indian hedgehog（Ihh）、FGF2、BMPs、VEGF 等訊號往 endothelial lineage 分化；先散在、再聚合成有管腔的管道，之後 arborize 與 sprout，經 TGF-β 與 PDGF 成熟；Angiopoietin-1 負責招募 pericytes。p.58–59
• 目前模型認為皮膚血管追隨先建立的 peripheral sensory neurons 發育：神經分支走錯的突變體，動脈也跟著走（likely 經 VEGF）。p.59
• 動靜脈平行排列可減少熱散失；arteries 的 EphrinB2 作用於 veins 的 EphB4 維持 A-V plexus；一模型中動脈內皮產生 Apelin，刺激靜脈內皮表現 APJ（G-protein–coupled receptor）以促進平行排列。p.59
• 血管密度的部位差異（如 scalp 高於 back）likely 與 Netrins、VEGF、Slit、Semaphorins 等局部訊號有關。p.59
• Lymphatics：由表現 PROX1 的既有 venous endothelial cells 成熟、出芽遷移而來，最先在 lateral mesoderm 的 VEGF-C 表現區。p.59
• Sturge-Weber syndrome：GNAQ 缺陷 → 臉部明顯 port-wine stains，加上 intracranial vascular anomalies 導致 seizures、mental retardation 等，後者比 port-wine stains 更令人擔憂。p.59

11. Hematopoietic Cells in the Skin（皮膚中的造血來源細胞）

• Yolk sac 最先供應血球（nucleated red cells），也產生部分 myeloid lineages，例如 Langerhans cells；Langerhans cells 在妊娠 10 weeks 可偵測到。p.59
• 第二波造血在 dorsal aorta，之後由 liver 貢獻；這裡產生能分化為所有血球並重建骨髓的 hematopoietic stem cells。p.59
• 並非所有 T cells 只是經血液、淋巴結循環過表皮；有專屬的 resident tissue memory T cells 維持免疫。Central memory T cells（位於 lymph nodes）likely 與這些皮膚 T cells 共享 naïve T-cell 前驅，且是在成人而非胚胎期產生。p.59
• Hyper-IgE syndrome（Job syndrome）：STAT3 突變 → T-helper 17（TH17）發育受損，轉而過度 TH2（eosinophilia、hyper-IgE），表現為 chronic eczema 與反覆皮膚 Staphylococcus aureus 感染。p.59

12. Mosaicism & Conclusions（鑲嵌現象與結語）

• Mosaicism：胚胎在發育過程中獲得新的突變，出生時只有第一個突變細胞的子代細胞帶突變；病灶分布直接反映發育與擴展模式。p.59
• 最經典的型態是 Blaschko's lines：突變 clone 的線狀擴展或彎曲型態。p.59
• 2012 Nobel Prize in Medicine 頒給 Shinya Yamanaka：以一組基因將 skin fibroblast 轉為 induced pluripotent stem cell（iPSC），未來可望生成病人專屬、同時修正基因缺陷的 stem cells。p.59–60

13. Developmental Defects & Diseases（發育缺陷相關疾病總表）

彙整自 p.53–59 內文。

14. McKee Supplement: Skin Development（McKee 補充：皮膚發育）

• 皮膚由兩個胚胎成分組成：early gastrula 表面的 prospective epidermis，與 gastrulation 時接觸其內面的 prospective mesoderm；mesoderm 形成真皮並參與 hair follicles 等表皮結構分化；melanocytes 來自 neural crest。McKee p.3
• Periderm 是哺乳類特有、覆蓋單層多潛能上皮的特殊層，提供一些（some）保護並與羊水交換物質；存在到妊娠 24 weeks 後脫落到羊水中。McKee p.3
• p63 是形成胚胎表皮單層與分化表皮的關鍵 transcription factor 之一（one key），其誘導訊號早於任何 keratin 產生。McKee p.3
• 胚胎真皮初期細胞很多，6–14 weeks 有 stellate cells、phagocytic macrophages、granule-secretory cells（melanoblasts 或 mast cells）三種細胞；weeks 14–21 fibroblasts 多且活躍。McKee p.3
• Fig. 1.21：7 weeks 表皮只有兩層細胞、真皮細胞很多；19 weeks 有含 glycogen surface blebs 的 periderm，並可見 hair peg（形成毛囊的第一個組織學步驟）。McKee p.7
• Elastic fibers 最早在 22 weeks 可偵測；collagen fibers 在第三個月末出現於真皮；第五個月毛囊周圍形成 connective tissue sheaths。McKee p.5

Timing differences between the two books（兩書時間點比較）

Fitzpatrick p.52、p.56、p.58–59；McKee p.3、p.5。