Ch.8 Nail 指甲

1. Overview（概論）

• Nail organ 是位於每根手指、腳趾 distal phalanx 的 skin appendage；生理狀態下會持續生長，拔除後可以完全再生。p.106
• 皮膚含有多個由獨立 stem cell populations 維持的「mini-organs」（skin appendages）。p.106
• 本章重點：nail organ 內有兩群細胞週期動態相反的 stem cells——slow-cycling 的 bifunctional nail proximal fold stem cells（NPFSCs）與 fast-cycling 的 nail stem cells（NSCs）；形成由 NPF 的 slow-cycling 細胞、intermediate zone（IZ）較活躍的細胞，到 proximal matrix 高度增生 stem cells 的梯度。p.106
• Proximal matrix 的 NSCs 與 distal matrix 的鄰近 progenitors 參與 nail differentiation，並在哺乳類 digit regeneration 中扮演關鍵角色。p.106
• 基因表現分析顯示 BMP 與 Wnt signaling pathways 對 nail fate differentiation 與 digit regeneration 是必要的。p.106

2. Nail Organ Structure & Function（解剖與功能）

At-a-glance p.106；內文與 Fig. 8-1、8-2，p.106–107。

• 正常 epidermal differentiation 在 proximal fold 於 eponychium 處內折後隨即停止；越過這一點的 nail layers 不形成 granular layer。p.106
• 人類指甲較扁平；其他哺乳類（如 mouse）的 claw 是接近圓錐狀、曲度較大的構造；形狀受下方 distal phalanx 與 matrix 分布影響。p.107

McKee：normal nail anatomy & histology（補充）

• Nail plate 是 semihard keratin plate，縱向與橫向都略凸；以 periungual grooves（proximal、lateral、distal）與周圍軟組織分隔。McKee p.1129
• Lunula 對應 matrix 的 distal part；只在部分指甲可見，尤其 thumbs 與 big toes。McKee p.1129
• Nail plate 上表面平滑，下表面有平行縱溝，與 nail bed 表面的溝互相嵌合以增加附著。McKee p.1129
• 生長速度：fingernails 每月約 3 mm，toenails 每月約 1 mm。McKee p.1129
• 功能：保護 distal phalanx、對 pulp 提供 counterpressure（觸覺所必需）、搔癢、攻擊或防禦，以及美觀。McKee p.1129
• PNF：dorsal surface 與指頭表皮相連且相似；ventral surface 是扁平而薄的鱗狀上皮，有 stratum granulosum 與 stratum corneum；dorsal 與 ventral 交角處產生厚的 stratum corneum，即 cuticle（封住 nail plate 與 PNF 之間）。McKee p.1130
• Nail matrix 與 nail bed 通常沒有 stratum granulosum；兩者的界線在組織上幾乎看不出來。McKee p.1130
• Matrix 是多層上皮，分 3 個 compartments：basaloid、prekeratogenous、keratogenous；keratogenous 以沒有 keratohyaline granules 的 eosinophilic onychogenous band 為特徵。Matrix epithelium 是 hard keratin 合成的唯一部位。McKee p.1130
• Nail bed epithelium 薄，keratinization 突然、沒有 granular layer；nail isthmus 是 nail bed 最遠端與 hyponychium 之間的過渡區，可防止 onycholysis；stratum granulosum 只在 hyponychium 重新出現。McKee p.1131
• Nail apparatus 的 basement membrane 與皮膚幾乎相同；matrix 與 nail bed dermis 沒有 pilosebaceous appendages，eccrine sweat glands 通常沒有；dermis 可見 glomus bodies；沒有真正的 hypodermis。McKee p.1131
• McKee 把 nail plate 的扁平、完全分化細胞稱為 onychocytes：緊密附著、不脫屑（與 corneocytes 不同）；nail plate 近端 ventral 部分常見細胞核殘留。McKee p.1131

3. Nail Growth & Plate Formation（甲板的來源）

• 目前認為 matrix 大致負責 nail plate 的生成；過去不確定 nail bed 等其他部位是否也有貢獻。p.107–108
• Lewis：觀察到 nail plate 有三層，提出 superficial dorsal 層來自 proximal nail fold、intermediate 來自 matrix、deep ventral 來自 nail bed（理論）。p.108
• Zaias & Alvarez（squirrel monkeys，tritiated glycine）：標記隨時間由 matrix 移入 nail plate；nail bed 只攝取少量而被排除，提出 matrix 單獨負責 nail plate 形成。p.108
• 人體志願者研究（3H-thymidine 與 glycine）：提出 matrix cells 除了移入 nail plate，也會移入 nail bed。p.108
• de Berker & Angus：matrix cells 相較於相對不活躍的 nail bed 高度增生，支持「只由 matrix 生成」。p.108
• 另有研究依指甲厚度與質量提出：matrix 生成大部分 nail plate，但 nail bed 也有貢獻；有人主張 nail bed 對 ventral nail plate 的貢獻讓 nail plate 生長時能向遠端移動。p.108
• 結論：似乎（appear to be）有普遍共識認為 nail plate 由 matrix cells 生成。p.108
• Takeo 的 K14–Cre-ER lineage tracing：5 months 內 LacZ+ 子代呈線狀向遠端延伸，條紋只來自 proximal matrix，不來自 distal matrix。p.111

Dorsal vs ventral nail plate（甲板背側與腹側）

• The proximal nail matrix forms the dorsal（superficial）portion of the nail plate；乾癬侵犯此區造成 defective keratinization → pitting109-09。p.464（ch28）
• McKee：proximal part of the matrix 形成 nail plate 的 dorsal aspect，distal part of the matrix 形成 ventral aspect109-09。McKee p.1130
• McKee：多數研究同意至少 80% 的 nail plate 由 matrix 生成，主要來源是 matrix 的 proximal part——這可能（probably）解釋為何 distal matrix 或 nail bed 手術比 proximal matrix 手術留疤的可能性低；有些研究認為 nail bed 生成 20%，另一些認為 nail bed 幾乎不參與。McKee p.1129

Clinical correlation：nail psoriasis（臨床連結：乾癬指甲）

• Nail changes 在 psoriasis 很常見，最多（up to）40% 病人有；在其他部位沒有皮膚病灶時則罕見（rare）109-09。p.464（ch28）
• Nail pitting 是 psoriasis 最常見的表現之一（one of the commonest features），fingers 比 toes 常見；pits 大小 0.5–2.0 mm，可單一或多發109-09。p.464（ch28）
• Oil spots 與 salmon patches 是 nail plate 下方半透明、黃紅色的變色；pitting 也見於 alopecia areata 等疾病，而 oil spotting 被認為幾乎是 psoriasis 特有（nearly specific）109-09。p.464（ch28）
• McKee：psoriasis 指甲侵犯發生於 10%–50% 病人；fingernails 比 toenails 常受侵犯；matrix 侵犯造成 pitting、leukonychia 等，nail bed 侵犯造成 oil drop／salmon patch、splinter hemorrhages、subungual hyperkeratosis、onycholysis。McKee p.1135

4. Stem Cell Concepts & Label-Retaining Methods（幹細胞概念與標記法）

• Adult stem cells 維持器官正常更新與受傷後修復，靠的是 self-renewal 與分化成該器官各種特化細胞的能力；必須有 long-term self-renewal capacity。p.108
• 有人提出 stem cells 很少分裂，以避免細胞分裂帶來的突變。p.108
• Stem cells 位於稱為 niches 的特化微環境，維持 quiescence 或調控增生與分化。p.108
• 活化後離開 niche 形成 transit-amplifying（TA）progenitor cells：相對於 quiescent stem cells，TA cells 快速增生並分化。p.108
• 利用 slow-cycling 特性標記推定的 stem cells：pulse-chase 後，分裂中的細胞稀釋標記，slow-cycling 細胞保留標記 → label-retaining cells（LRCs）。p.108
• Cotsarelis（1990）：以 3H-thymidine pulse chase 在 hair follicle bulge 找到 slow-cycling LRCs，可被 tumor promoter TPA 刺激增生，並提出假說（hypothesize）認為這些 LRCs 是毛囊 stem cells；更早也在 cornea limbus 找到 LRCs（受傷時優先活化，也可被 TPA 刺激）。p.108

p.108–109。

5. Slow-Cycling Bifunctional NPFSCs（近端甲褶幹細胞）

• Slow-cycling stem cell 特性已在 hair follicle 以外的 cornea、sweat glands 等證實，但對 nails 所知甚少。p.109
• Mouse BrdU pulse-chase：最早提示 LRCs 位於 nail matrix 靠近 nail bed 的 basal layer，但未再進一步定性。p.109
• Sellheyer 等（人類，IHC）：胚胎期人類指甲的 ventral proximal fold 表現 hfSC markers（K15、K19、PHLDA1），Ki67+ 細胞極少，與 hfSCs 一樣較 quiescent → proximal fold 可能（may）是人類 NSC niche。p.109
• H2B-GFP LRC 系統：在 NPF 的 basal layer 找到先前未報告的 nail LRCs；因 mouse 指甲是近圓錐狀的立體構造，LRCs 排成 ringlike configuration。p.109
• Nail LRCs 表現 hfSC marker K15；lineage tracing 顯示源自 NPF 的 K15 細胞同時貢獻 nail structure（long term）與更主要的 perinail epidermis → bifunctional stem cell。p.109
• 指甲再生時，K15 來源的 NPFSCs 主動把子代送到 nail matrix 並分化成 nail plate；in vivo engraftment 顯示 nail LRCs 能參與功能性指甲再生。p.109
• NPF 內的這群 bifunctional stem cells 具 plastic homeostatic dynamics、能對 injury 反應，提示指甲與鄰近表皮之間可能有共同、協調的保護屏障形成機制。p.109

BMP signaling（BMP 訊號）

• 分離的 nail LRCs 轉錄分析顯示，正常 nail formation 與 differentiation 需要 BMP signaling；BMP 引導 NPFSCs 走向 nail differentiation。p.109
• 沒有 BMP：matrix cells 增生較少、matrix 上方看不到 KZ；nail plate 分化受損，指甲在 in vivo 轉為 epidermal fate——skin epidermis 的 granular layer 延伸到整個指甲，nail plate 出現 K1 與 loricrin，nail plate marker AE13（hair cortex 與 nail plate 都表現的 keratin）偵測不到。p.109
• Fig. 8-5：BMP depletion 時沒有 KZ、nail bed hyperplasia、LRCs 消失、ectopic granular layer 延伸覆蓋整個 nail plate；matrix 增生細胞數量似乎（appears to be）減少；BMP signaling 可能（may）是 nail fate 所必需。p.110
• 此表現型比 Msx2/Foxn1 double mutant 更嚴重（兩者都是 BMP 的 downstream targets，調控正常 nail differentiation）；也類似 Foxn1 與 Hoxc13 single mutants（epidermal stratum granulosum 異常延伸到指甲內）。p.109
• BMP signaling 也是維持 NPFSCs 之 LRC 特性所必需，與先前在 hfSCs 的觀察相同；毛囊正常分化也有類似的 BMP 角色。p.109

6. Rapidly Cycling Unipotent NSCs（快速分裂的指甲幹細胞）

• Nail matrix 在形態上是 NPF 細胞的延續，兩者經由包住 nail plate 近端的 IZ 相連；增生的 matrix progenitors 位於 NPF 附近，分化成 KZ 細胞形成 nail plate。p.110
• Chase 僅 1 week，NPF 的 slow-cycling LRCs 與活躍分裂的 matrix cells 就明顯不同：Ki67 主要在增生的 matrix cells；NPF LRCs 為 Ki67-negative、強 H2B-GFP+。p.110–111
• IZ 含弱 H2B-GFP+ 與 Ki67+ 細胞（分裂稀釋標記所致）；chase 2 weeks 後 IZ 變得很小，4 weeks 後完全消失 → 細胞分裂梯度：NPF quiescent LRCs → IZ 較活躍 → matrix 快速分裂。p.111
• Takeo 等（K14–Cre-ER／Rosa26 LacZ，一次 tamoxifen 注射）：5 months 內 LacZ+ 子代只從 proximal matrix 呈條紋向遠端延伸。p.111
• Proximal matrix cells 具未分化表皮細胞特性：表現 K17（加上 K14）與高 Ki67；分離出的 proximal matrix cells 在 in vitro 有最高 colony-forming ability（epithelial stem cells 的一般特性）→ rapidly dividing proximal matrix 含 self-renewing cells，符合 NSCs 的條件。p.111

Wnt signaling & Lgr6（Wnt 訊號與 Lgr6）

• Proximal vs distal matrix 基因表現：proximal matrix 富含 NSCs，Wnt signaling pathway 下調。p.111
• Wnt reporter mice：Wnt signal 從 K17+ NSC 區的遠端開始，持續到 K17-negative 的 distal matrix；proximal end 沒有訊號。Tcf1（hepatocyte nuclear factor 1a）與 Wls（Wntless）在 NSCs 的 proximal end 不表現；含 TCF1／LEF1 結合位的多種 keratins 在 distal matrix 上調。p.111
• 成體上皮移除 β-catenin：缺少 AE13（keratinized nail cells 的 marker）；沒有 β-catenin 或 Wntless 時，整個 nail epithelium 呈 NSC 區特性（K17+、Ki67+ 高度增生）→ Wnt 對 nail differentiation 是必要的。p.111
• Lgr6（leucine-rich repeat containing G protein–coupled receptor 6；Wnt signaling 的 mediator）是 nail 的關鍵 stem cell marker，位於 nail proximal matrix；Lgr6 是 NSCs 專一的分子標記，產生 nail plate 並促成指甲隨時間生長；canonical Wnt signaling 大致與 Lgr6-expressing matrix cells 相關。p.111

Fig. 8-4，p.110；內文 p.109–111。

7. Nail Epithelium in Digit Regeneration（指甲上皮與指尖再生）

• 人類指尖與部分哺乳類（包括 mice）一樣，受傷後能像兩生類一樣完全再生；此能力只限於與指甲相關的區域。p.111
• 在 middle phalanx 截肢後做 nail transplantation 可誘導 ectopic digit bone differentiation；此觀察提示（suggests）nail epithelium 具特殊功能，創造允許再生的環境。p.111
• 此過程依賴上方的 nail organ 與下方 blastema 的交互作用；nail epithelium（特別是 proximal matrix 的 NSCs 及其分化）直接與 digit regeneration 相耦合。Mouse 模型中 nail epithelium 的 Wnt/β-catenin signaling 是 digit regeneration 所必需。p.111

Proposed model（目前模型，Fig. 8-6）

1. Homeostasis：proximal matrix 的 NSCs 產生具 Wnt 活化（Wntless）的 distal matrix cells；NSCs 與 distal matrix cells 同時分化成 nail plate。p.111
2. 在 distal matrix 層級截肢（proximal matrix 的 NSCs 完好）：再生的 nail epithelial cells 覆蓋傷口，活化 Wnt（Wntless），分化成 distal matrix 與 nail plate。p.112
3. Wnt 活化經 semaphorin 5a（Sema5a，axon-guidance molecule）促進 blastema innervation；Sema5a 在對照組截肢後 3 weeks 於 nail epithelium 上調。p.112
4. Innervation 是再生 nail epithelium 表現 FGF2 所必需。p.112
5. FGF2 促進 Runx2-positive progenitors 或 Sp7 osteoblasts 增生 → digit regeneration；FGF2 的受體 FGFR1 表現在 mesenchymal blastema（Runx2 progenitor），因此可能（could）招募 ERK pathway 維持其增生。p.112

Evidence（證據）

• β-catenin conditional KO mice：nail matrix 沒有 TopGal（Wnt reporter）與 AE13 表現、bone regeneration 被阻斷；nail matrix 下方的 Runx2 progenitors、mesenchymal cells、Sp7 osteoblasts 不增生、也不產生 BMP4；截肢後 3 weeks nail epithelium 的 Sema5a 下調。p.112
• Denervation（截肢前手術移除神經）抑制 blastema 生長，類似 nail epithelium 沒有 FGF2 表現的 conditional KO mice。p.112
• Nail epithelium 的 β-catenin stabilization 可誘導 TCF1 表現、distal matrix 再生與 well-innervated blastema，但截肢位置若在 NSC niche 的近端，則無法促進 digit regeneration（剩下的 proximal matrix epidermis 無法對 β-catenin stabilization 反應）。p.112
• Ablation of Lgr6（Wnt pathway 的重要 agonist）抑制 digit-tip regeneration；Lgr6 也表現在指尖的 bone osteoblasts 與 eccrine sweat glands，Lgr6+ 細胞也貢獻 blastema；Lgr6-deficient mice 有 nail 與 bone regeneration 缺陷，但 Lgr6+ osteoblasts 是否參與此表現型仍不清楚。p.112
• Wnt signaling 在 NSC lineage 的雙重功能（指揮 nail formation／differentiation 與 digit regeneration）似乎（appears to be）是協調哺乳類 digit-tip 上皮與間質組織再生的關鍵機制。p.112–113
• Mouse digit-tip regeneration 中，nail epithelium 及其 stem cells 雖然關鍵，但仍需與其他 germ-layer 與 lineage-restricted stem/progenitor cells 的 crosstalk 才能完成再生。p.113

8. Human Nail Disorders & Human Data（人類疾病與人類資料）

• 人類有些可能（may）只影響指甲的疾病包括 inherited anonychia 與 isolated congenital nail dysplasia。p.113
• Inherited anonychia 家族有嚴重的 nail hypoplasia，找到 R-spondin 4（RSPO4） 突變；RSPO4 與 Wnt signaling pathway 相關，提示其在 nail development 的重要角色。p.113
• 人類胚胎指甲的 ventral proximal fold 因表現 bulge stem cell markers（K15、K19、PHLDA1）並具 quiescent 特性，被提出為 NSCs，可能（might）相當於 mouse 的 NPFSCs；人類 nail matrix 則含 Ki67 標記的高度增生細胞，與 mouse nail matrix 相似，可能（might）類似 mouse proximal matrix 的 NSCs。p.113
• NSCs 可能（may）有治療潛力，有助於發展截肢者（amputees）的新療法。p.113

9. Conclusions & Analogies（結論與類比）

• Nail organ 的 stem cells 以兩種活化模式存在——slow-cycling 與 actively proliferating——以應付持續生長的指甲需求。p.113
• Hair follicle 類比：label-retaining NPFSCs 與快速增生 NSCs 形成的動態階層，類似 hfSCs——部分 hfSCs 參與新的 hair cycle，生長中毛囊 upper ORS 的其他 hfSCs 重建含 quiescent hfSCs 的新 bulge；bulge 活化時 ORS 內也有從 bulge 到 matrix 的 slow- 到 fast-cycling 梯度。p.113
• Intestine 類比：intestinal crypt +4 position 有表現 Bmi1 的 slow-cycling LRC stem cells；crypt 底部有表現 Lgr5 的 fast-cycling stem cells，兩者都能分化成所有腸道細胞系；缺少 Lgr5+ stem cells 時，Bmi1 stem cells 能維持腸道正常更新並重建 Lgr5+ 族群，提示（suggests）Bmi1+ 細胞作為 reserve stem cell population。p.113
• 因此 NPFSCs 與 NSCs 之間可能（might）也有類似的 backup system；slow-cycling NPFSCs 可能（might）在 stress、injury 或 stem cell 族群耗竭時作為 NSCs 的 backup。p.113