HaCaT 細胞——探索皮膚生物學與疾病
HaCaT 細胞源自人類表皮角質細胞，常被用於探索表皮的穩態及其相關病理。這些細胞被視為自發性永生化的人類角質細胞，其特殊之處在於它們源自正常皮膚角質細胞，且在培養過程中未經歷細胞危機或生長遲滯。 這種獨特的來源使 HaCaT 細胞具備了一套有別於其他細胞系的遺傳與生長特性。儘管在體外培養時會呈現轉化表型，並在瓊脂或塑膠基質上展現克隆形成能力，但 HaCaT 細胞系仍不具致瘤性。 作為首個來自成人人類皮膚且能展現正常分化的穩定上皮細胞系，HaCaT 細胞是研究人類細胞角化調節機制的重要工具。由於這些細胞能在體外有效增殖與分化，因此具有廣泛的應用範圍。
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HaCaT 細胞的特徵
HaCaT 細胞可在低鈣條件下培養，其外觀呈紡錘形，且缺乏細胞間的緊密連接，這與在相同條件下培養的原代細胞相似。 在正常表皮中，角質形成細胞由基底層的幹細胞發育而來，並依次通過棘層和顆粒層，最終到達角質層，然後脫落至環境中。 增殖與脫落之間這種嚴格調控的平衡，導致每 28 天完成一次完全更新或更替，這是一個稱為「角化」的複雜過程。此過程受到高度調控，並涉及基因表達、結構設計及酶活性的顯著變化。 為了進行體外和體內分析，HaCaT 細胞必須維持人類表皮細胞分化層所特有的表皮角蛋白，這些角蛋白對於維持皮膚的結構完整性與韌性至關重要。 儘管 HaCaT 細胞中可能會發生連續性的染色體改變，但這些改變未必與顯著的分化問題有關，反而顯示出人類成人角質細胞在體外環境中的自發性轉化。
HaCaT 細胞的遺傳特徵與起源
HaCaT 細胞是一種源自成人皮膚的自發性永生化人類角質形成細胞系，代表了一種獨特的演化途徑。這些細胞的 p53 基因兩個等位基因均存在突變，這正是紫外線輻射所誘導突變的典型特徵 [3,4]。 此外，據推測 HaCaT 細胞是先因 p53 腫瘤抑制基因突變而產生，隨後又喪失了衰老相關基因 [5]。
腫瘤抑制基因 p53 以其在 DNA 修復中的作用及作為基因組守護者的角色而聞名，它能誘導人類皮膚對 DNA 損傷作出反應 [4]。 觀察發現，由於 p53 基因在體內的突變，HaCaT 細胞已部分喪失了對抗 DNA 損傷的保護機制，使其容易在培養溫度升高時累積細胞遺傳學上的變化。HaCaT 細胞永生化的另一種機制涉及端粒酶活性的增加 [7]。 在正常細胞中，端粒會隨著每次細胞分裂而持續縮短，直至細胞進入衰老階段。 端粒酶是一種具有逆轉錄酶活性的特殊細胞酶複合體，能維持穩定的端粒長度。相較之下，HaCaT 細胞的端粒酶活性顯著增加，導致端粒長度得以良好維持。這些觀察結果證實了端粒酶在 HaCaT 細胞不朽化過程中的作用。
已鑑定出三種特定的染色體易位，導致 3p、4p 和 9p 染色體臂各失去一份拷貝、9q 染色體臂增加一份拷貝，並形成等染色體。 第3號染色體短臂（3p）的缺失可能導致衰老基因的喪失，進而促使HaCaT細胞不老化 [8]。 HaCaT 細胞為次二倍體，並具有獨特且穩定的標記染色體，代表其單克隆起源。HaCaT 細胞系的特徵及其源頭已透過使用高變異性微衛星標記進行的 DNA 指紋分析得到確認 [3-6]。
5 個簡單步驟，輕鬆收穫 HaCaT 細胞
- 移除培養基，並使用 3-5 mL 不含鈣和鎂的 PBS 沖洗貼壁細胞（適用於 T25 培養瓶）或 5-10 mL（適用於 T75 培養瓶）。
- 每支 T25 培養瓶加入 1-2 mL 新調製的 0.05% EDTA 溶液，或每支 T75 培養瓶加入 2.5 mL，確保完全覆蓋整個細胞層，並於 37°C 孵育 10 分鐘。
- 每只 T25 培養瓶加入 1 mL 新調製的胰蛋白酶/EDTA（0.05%/0.025%）溶液，或每只 T75 培養瓶加入 2.5 mL，再次確保完全覆蓋細胞片。細胞應在 1-2 分鐘內脫落。
- 加入含胎牛血清（FBS）的細胞培養基，以停止胰蛋白酶的活性。
- 將細胞分裝至裝有新鮮細胞培養基的新燒瓶中。
HaCaT 細胞的應用
HaCaT 細胞是研究角質形成細胞的寶貴工具 [9]。這些不朽細胞具有癌前細胞的功能，有助於深入了解惡性及腫瘤轉化過程中的變化 [10]。 單層 HaCaT 細胞培養對於細胞毒性及體外傷口癒合分析應用至關重要。HaCaT 細胞亦可用於評估各種因子所引起的皮膚毒性，以及腫瘤性或發炎性過程。它們可用於分析皮膚過敏反應的不同機制、活性氧物種的影響，以及紫外線照射的影響。 經刺激後，HaCaT 細胞可分化並表達特定分化標記物，例如 involucrin、K14 及 K10。HaCaT 細胞亦常被用作研究表皮穩態病理生理學的模型 [6]。
HaCaT 細胞在移植後仍能於體內重建具有結構的表皮，形成分層表皮結構；透過改變培養基中的鈣濃度，可使該結構在基底狀態與分化狀態之間切換。 這些細胞亦可用於闡明多種生物過程，例如作為維生素 D 的模型系統，以及研究皮膚中的代謝作用。由於 HaCaT 細胞未經基因工程改造，因此能客觀呈現人類皮膚中廣泛的初期遺傳事件。
精選影片：探索 HaCaT 細胞的世界
「HaCaT 細胞遷移」：這段影片展示了 HaCaT 細胞的遷移過程。細胞遷移是多種生物過程不可或缺的環節，例如傷口癒合與癌症轉移。 影片透過顯微鏡展示 HaCaT 細胞的移動，直觀呈現這些細胞的遷移方式。觀眾可觀察到細胞從一處移動至另一處的活動，影片亦清晰說明了細胞在此過程中發生的變化。
「針對 HaCaT 細胞進行的刮痕實驗」：本影片展示針對 HaCaT 細胞進行的刮痕實驗。 刮痕實驗是研究細胞遷移的常用技術，在此案例中，該技術用於分析 HaCaT 細胞的遷移。影片展示了在細胞培養皿表面製造刮痕的過程，隨後透過顯微鏡觀察 HaCaT 細胞隨時間推移而遷移並填補該間隙的過程。
「用於傷口癒合實驗的 HaCaT 角質形成細胞培養」：本影片示範為進行傷口癒合實驗而培養 HaCaT 角質形成細胞的過程。HaCaT 角質形成細胞是傷口癒合研究中常用的細胞系。
「HaCaT 細胞分化」：本影片展示 HaCaT 細胞分化的必要步驟。HaCaT 細胞可分化為不同類型的皮膚細胞。影片演示了 HaCaT 細胞在分化過程中的變化，並以視覺方式呈現各種分化標記與特徵。 分化過程對於正常皮膚功能至關重要，本影片重點呈現 HaCaT 細胞經歷的分化各階段。
參考文獻
- Angel P 與 Karin M：Jun、Fos 及 AP-1 複合體在細胞增殖與轉化中的作用。《生物化學與生物物理學報》1072:129-157, 1991 Argyris TS： 表皮增生性生長的調控。《毒理學批判性評論》9:151-200, 1981
- Baden HP、Kubilus J、Kvedar JC、Steinberg ML、Wolman SR：自發產生的人類角質細胞長壽系（NM-1）的分離與特性分析。《體外細胞與發育生物學》23(3):205-13，1987
- Lehmann TA、Modali R、Boukamp P、Stanek J、Bennett WP、Welsh JA、Metcalf RA、Stampfer MR、Fusenig NE、Rogan EM、Harriss CC：人類不朽化上皮細胞系中的 p53 突變。 《致癌作用》 14:833-839，1993
- Ziegler A-M、Leffell DJ、Kunala S、Sharma HW、Gailani M、Simon JA、Halperin AJ、Baden HP、Shapiro PE、Bale AE、Brash DE：非黑色素瘤皮膚癌中 p53 基因因陽光照射而產生的突變熱點。 《美國國家科學院院刊》 90:4216-4220，1993
- Fusenig NE、Boukamp P. 人類皮膚角質細胞的不朽化、惡性轉變及腫瘤進展中的多個階段與基因改變。《分子致癌學》1998;23(3):144-158。
- Harle-Bachor C、Boukamp P：人類皮膚表皮再生基底層、不朽化及源自癌變的皮膚角質細胞中的端粒酶活性。《美國國家科學院院刊》93:6476-81，1996
- Colombo I、Sangiovanni E、Maggio R 等。HaCaT 細胞作為解析人類角質細胞發炎／修復反應之可靠體外分化模型。《發炎介質》（Mediators Inflamm.）2017;2017:7435621。
- Boukamp, P. 等。自發性不朽化非整倍體人類角質細胞系中的正常角化作用。《細胞生物學雜誌》 106, 1996, 761–771.
- 吉布斯，格雷厄姆：《質性資料分析》。Sage 質性研究工具包。倫敦：Sage 978-0-7619-4980-0。
- 赫德里克（Hedrick）TE、比克曼（Bickman）L、羅格（Rog）DJ。1993。《應用研究設計：實用指南》。Sage：倫敦
- 布坎普 P.、佩特魯塞夫斯卡 R. T.、布雷特克羅伊茨 D.、霍恩恩 J.、馬克漢姆 A.、富塞尼格 N. E. 《一株自發性不朽化非整倍體人類角質細胞系中的正常角化作用》。 《細胞生物學》（1988）；106：761–771。