胶原蛋白碎片对光老化真皮细胞外基质的影响

卢勇舟， 陈 亮， 毕 波， 刘天一

综 述

胶原蛋白碎片对光老化真皮细胞外基质的影响

卢勇舟， 陈 亮， 毕 波， 刘天一

光老化； 胶原蛋白碎片； 细胞外基质

真皮细胞外基质(extracellular matrix, ECM)赋予了皮肤一定的强度和弹性。ECM主要是由成纤维细胞产生的Ⅰ型胶原蛋白纤维组成，Ⅰ型胶原蛋白是真皮中含量最充足的结构蛋白[1]。在紫外线(ultraviolet, UV)照射下，ECM中会产生基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMPs)，它们可以分解胶原蛋白纤维和ECM中其他组成成分[2]。年轻人皮肤的真皮ECM是由长的、完整的、紧密结合的胶原纤维束组成；相反，光老化和年老的皮肤真皮ECM中的胶原纤维是稀疏的、破碎的、紊乱的[3]。胶原蛋白碎片(collagen fragments, CF)是光老化皮肤真皮ECM中的一种特征性表现。研究表明，在Ⅰ型胶原蛋白三维格状结构中加入MMP-1后培养，其超微结构的表现与光老化ECM中的胶原蛋白相同[4]。年轻人皮肤中的MMP-1含量极少，而在光老化和年老皮肤中MMP-1含量很高。MMP-1在光老化皮肤真皮ECM中产生CF起到主要的作用( GJ Fisher, 1997年)。大量研究表明，成纤维细胞和ECM之间相互黏附，相互作用，从而影响细胞的功能；而胶原蛋白结构的完整性是保证这一作用的基础[5-7]。下面笔者主要阐述CF对光老化真皮ECM的影响。

1 光老化与胶原蛋白的降解

1.1 自然状态下胶原蛋白的分解 Ⅰ型胶原蛋白在自然状态下经历着极其缓慢的降解过程[8]，而主导这一过程的是MMPs。在生理状态下，MMPs负责多种ECM蛋白的分解，其中，MMP-1在皮肤胶原蛋白的降解中起主要作用(GJ Fisher, 1996年)。胶原蛋白被MMP-1降解，会产生明胶，而明胶会被MMP家族中的明胶酶进一步分解。在正常的皮肤组织中，MMP-1和明胶酶的含量都是极低的(GJ Fisher, 1996年)。此外，皮肤组织还会产生MMPs的天然抑制剂，这种组织金属蛋白酶抑制剂(tissue inhibitors of matrix metalloproteinases, TIMPs)会延缓胶原蛋白的分解[9]。因此，在自然状态下健康年轻人的胶原蛋白结构稳定，ECM中的CF含量极低。

1.2 光老化过程中胶原蛋白碎片的产生 光老化会导致真皮ECM中一系列的改变，从而影响皮肤的外观和功能。在UV的照射下会产生一种活性氧类(reactive oxygen species, ROS)，它可以增加AP-1的转录，而AP-1可以促进MMPs的合成，减少前胶原基因的表达和转化生长因子-β(transforming growth factor β, TGF-β)受体的数量[10]。MMPs合成的增加会加速胶原蛋白的分解，促进CF的生成，而前胶原合成的减少会影响ECM胶原蛋白的更新，破坏ECM结构的完整性，而不完整的ECM会加速CF的生成。UV照射还可以诱导皮肤产生SMAD7，阻碍TGF-β通路，从而使Ⅰ型前胶原减少。同时，UV照射可以使成纤维细胞产生富含半胱氨酸的蛋白61(CCN1)，CCN1可以促进MMP-1表达，减少Ⅰ型前胶原合成[11]。这3种机制可以促进CF的产生或减弱ECM成分的更新，最终影响ECM结构和功能的完整性。

此外，UV照射还可以活化核转录因子NF-κB，它可以引起多种促炎因子的产生，也可以刺激MMPs的表达。TIMPs可以调节MMPs的活性，从而起到抑制胶原蛋白分解的作用，研究表明，TIMPs的表达在光老化皮肤和正常皮肤中的含量无明显差异[9]。因此，在UV照射下， MMPs含量通过多种信号通路的调节而大幅度上升，从而加速了ECM中胶原蛋白的分解。研究表明，甘露糖受体Endo180在成纤维细胞摄取CF中起着重要作用，而整合素α2β1在胶原蛋白与成纤维细胞的结合中至关重要，UV照射会使Endo180和整合素α2β1表达减少，从而减弱了细胞的内吞作用，加剧了CF在真皮ECM中的积累[12]。

2 胶原蛋白碎片对真皮ECM的影响

2.1 胶原蛋白碎片对成纤维细胞形态的影响 光老化真皮ECM中会出现CF，而原有的交叉连接的胶原蛋白结构会阻止CF的清除，CF不能被修复，也不能合并入新合成的胶原纤维中，这会造成胶原蛋白基质三维结构的缺损。这一缺损会影响真皮结构的完整性，从而改变其功能[13]。

人真皮成纤维细胞存在于充满胶原蛋白的ECM微环境中，是结缔组织的重要组成成分。成纤维细胞表面有一种细胞表面受体，这种受体被称为整合素，成纤维细胞通过整合素与ECM中的Ⅰ型胶原蛋白连接。整合素跨越细胞膜使胶原蛋白集合成束，并与细胞内的肌动蛋白骨架连接形成复合体。整合素连接了ECM和细胞内的肌动蛋白骨架形成黏着斑，黏着斑复合体既有调节功能，又有机械传导的作用[14]。黏着斑为成纤维细胞的伸展提供了结合位点，这对于成纤维细胞的生长、生存和功能起到至关重要的作用。成纤维细胞内细胞骨架结构通过结合位点可以向完整的胶原蛋白外基质施加机械牵引力，从而对胶原纤维网状结构有一个拉力作用，而完整的胶原纤维结构可以对这一拉力施加一个反作用力。因此，在成纤维细胞和胶原蛋白外基质之间会有一定的张力。研究表明，细胞的形态和其所受的张力可以调节其基本功能[15]。而细胞的形态和所受张力主要取决于与其相互作用的ECM的状态[16]。在年轻人皮肤细胞ECM中，成纤维细胞黏附在完整的胶原纤维上，并通过其提供的牵引力实现自身的正常形态；而在年老和光老化的皮肤ECM中，胶原蛋白呈碎片状，这一改变减少了成纤维细胞的结合位点和机械稳定性[17]。结合位点的减少，使ECM向成纤维细胞内的信号传导受阻，也减弱了ECM对成纤维细胞的机械牵引力，因此，成纤维细胞失去其瘦长的纺锤状结构，变成了塌陷的短圆状结构。

2.2 胶原蛋白碎片对MMP-1和前胶原合成的影响 最新研究表明，成纤维细胞失去其正常形态和所受张力，会导致细胞中c-Jun和AP-1的升高，从而导致MMP-1表达增加。该研究通过改变成纤维细胞的培养基，使其恢复正常形态和张力，发现培养基中c-Jun和MMP-1水平均下降，说明成纤维细胞功能的改变是可逆的[10]。增多的MMP-1会进一步分解ECM中的胶原蛋白，破坏ECM的结构完整性，影响成纤维细胞和ECM的相互作用。这一恶性循环在年老和光老化的皮肤ECM中持续存在，并不断地破坏ECM微环境的稳态，最终导致皮肤在外观和功能上的改变。

前胶原主要由成纤维细胞合成，而前胶原是合成胶原蛋白的重要原料，它在真皮ECM胶原蛋白的更新中起着重要作用。在光老化的皮肤中，前胶原的含量是下降的(CEM Griffiths, 1993年)。研究表明，从光老化皮肤中分离培养的成纤维细胞合成Ⅰ型前胶原的能力，与正常皮肤中分离出的成纤维细胞相同[18]。在光老化皮肤真皮ECM中，CF的积累改变了成纤维细胞的形态和功能，抑制了Ⅰ型前胶原的合成，从而减少了新生胶原蛋白，胶原蛋白更新的减慢促使CF在ECM中的进一步积累[19]。

2.3 胶原蛋白碎片对透明质酸合成的影响 透明质酸(hyaluronan, HA)是真皮ECM的一种重要组成成分，在保持皮肤水分，维持细胞膨胀度和ECM的扩散梯度中起着重要作用(W Manuskiatti, 1996年)。HA是在细胞膜经透明质酸合酶1-3(HAS1-3)合成的，HAS可以聚集活化的UDP-氨基葡萄糖和葡萄糖醛酸，并把合成的HA聚合物排出到ECM中。在光老化和年老的皮肤中HA的含量会减少。CF具有一定的生物活性，在平滑肌细胞中，CF可以造成黏着斑激酶的解离，还可以通过激活αvβ3整合素来抑制细胞凋亡[20]。CF可以对3种HAS起到不同的调节作用，可以上调HAS1含量，下调HAS2含量，但不改变HAS3含量。其中HAS2的含量最多，CF通过抑制HAS2来减少HA的合成。研究表明，CF抑制HAS2也是通过αvβ3的信号通路，CF激活αvβ3整合素信号，从而造成了Rho激酶(ROCK)的抑制，同时，细胞外信号调节激酶(ERK)1/2通过细胞内肌动蛋白骨架移动到细胞核内，最终抑制了HAS2的转录。与此同时，αvβ3整合素信号通过增加p38的表达提高了HAS1的含量[21]，而HAS1的增加对于HA合成的贡献微乎其微。因此，由于HAS2被CF抑制，真皮ECM中的HA含量在光老化过程中逐渐减少。

最近，Quan等[17]在研究中通过向皮肤中注入交叉连接结构的透明质酸，发现皮肤ECM中成纤维细胞恢复了瘦长纺锤状形态，而TGF-β的含量上升，胶原蛋白合成量增加。交叉连接的透明质酸增强了ECM的结构，从而增加了成纤维细胞与ECM之间的黏附。这一过程增加了TGF-β的表达，而上调的TGF-β会引发胶原蛋白的合成，新合成的胶原蛋白会促进成纤维细胞的伸展和生长，从而进一步激活TGF-β信号，这是一个良性的循环。

3 总结

ECM是细胞生长的微环境，它的完整性维持着细胞结构和功能的正常，而ECM的稳态一旦遭到破坏，其中的异常成分便会成为加速细胞状态恶化的源头[22]。CF在ECM中积累是光老化皮肤的一个特征性变化。CF破坏了胶原蛋白纤维的完整性，减少了胶原纤维与成纤维细胞之间的黏附，从而减弱了胶原纤维对成纤维细胞的机械牵引力，最终导致了成纤维细胞功能和形态的改变。这种改变会导致MMP-1的表达增加，前胶原的合成减少，从而使ECM中的CF含量进一步增加，这是一个持续存在的恶性循环。CF还可以通过激活αvβ3整合素信号通路抑制HAS2的转录，最终导致HA合成的减少，而HA是ECM中的重要组成部分，HA的减少会加剧ECM微环境的恶化。Fisher等[3]在胶原蛋白三维结构中培养成纤维细胞的过程中发现，CF可以通过改变ECM的结构提高细胞的氧化应激水平，这一现象的具体机制还有待进一步的研究。在光老化和衰老的过程中，CF在ECM中不断积累，从而影响ECM的功能和结构。目前，ECM在光老化细胞中的作用越来越受到重视，很多研究已经发现了改善ECM状态的方案[2,23]。CF影响ECM功能和状态的过程还有很多未知的机制未被发现，关于CF的研究还有很长的路要走。

[1] Fisher GJ, Varani J, Voorhees JJ. Looking older: fibroblast collapse and therapeutic implications[J]. Arch Dermatol, 2008,144(5):666-672.

[2] Yaar M, Gilchrest BA. Photoageing: mechanism, prevention and therapy[J]. Br J Dermatol, 2007,157(5):874-887.

[3] Fisher GJ, Quan T, Purohit T, et al. Collagen fragmentation promotes oxidative stress and elevates matrix metalloproteinase-1 in fibroblasts in aged human skin[J]. Am J Pathol, 2009,174(1):101-114.

[4] Fligiel SE, Varani J, Datta SC, et al. Collagen degradation in aged/photodamaged skin in vivo and after exposure to matrix metalloproteinase-1 in vitro[J]. J Invest Dermatol, 2003,120(5):842-848.

[5] Dupont S, Morsut L, Aragona M, et al. Role of YAP/TAZ in mechanotransduction[J]. Nature, 2011,474(7350):179-183.

[6] Eckes B, Zweers MC, Zhang ZG, et al. Mechanical tension and integrin alpha 2 beta 1 regulate fibroblast functions[J]. J Investig Dermatol Symp Proc, 2006,11(1):66-72.

[7] Xia W, Hammerberg C, Li Y, et al. Expression of catalytically active matrix metalloproteinase-1 in dermal fibroblasts induces collagen fragmentation and functional alterations that resemble aged human skin[J]. Aging Cell, 2013,12(4):661-671.

[8] Verzijl N, DeGroot J, Thorpe SR, et al. Effect of collagen turnover on the accumulation of advanced glycation end products[J]. J Biol Chem, 2000,275(50):39027-39031.

[9] Quan T, Little E, Quan H, et al. Elevated matrix metalloproteinases and collagen fragmentation in photodamaged human skin: impact of altered extracellular matrix microenvironment on dermal fibroblast function[J]. J Invest Dermatol, 2013,133(5):1362-1366.

[10] Qin Z, Voorhees JJ, Fisher GJ, et al. Age-associated reduction of cellular spreading/mechanical force up-regulates matrix metalloproteinase-1expression and collagen fibril fragmentation via c-Jun/AP-1 in human dermal fibroblasts[J]. Aging Cell, 2014,13(6):1028-1037.

[11] Qin Z, Okubo T, Voorhees JJ, et al. Elevated cysteine-rich protein 61 (CCN1) promotes skin aging via upregulation of IL-1beta in chronically sun-exposed human skin[J]. Age (Dordr), 2014,36(1):353-364.

[12] Tang S, Lucius R, Wenck H, et al. UV-mediated downregulation of the endocytic collagen receptor, Endo180, contributes to accumulation of extracellular collagen fragments in photoaged skin[J]. J Dermatol Sci, 2013,70(1):42-48.

[13] 杨清建, 刘天一, 毕 波. 光老化过程中皮肤成纤维细胞的生物学改变[J]. 中国美容整形外科杂志, 2014,25(8):480-483.

[14] Langevin H. Connective tissue: A body-wide signaling network[J]? Med Hypotheses, 2006,66(6):1074-1077.

[15] Hynes RO. The extracellular matrix: not just pretty fibrils[J]. Science, 2009,326(5957):1216-1219.

[16] Geiger B, Spatz JP, Bershadsky AD. Environmental sensing through focal adhesions[J]. Nat Rev Mol Cell Biol, 2009,10(1):21-33.

[17] Quan T, Wang F, Shao Y, et al. Enhancing structural support of the dermal microenvironment activates fibroblasts, endothelial cells, and keratinocytes in aged human skin in vivo[J]. J Invest Dermatol, 2013,133(3):658-667.

[18] Varani J, Spearman D, Perone P, et al. Inhibition of type I procollagen synthesis by damaged collagen in photoaged skin and by collagenase-degraded collagen in vitro[J]. Am J Pathol, 2001,158(3):931.

[19] Varani J, Perone P, Fligiel SE, et al. Inhibition of type I procollagen production in photodamage: correlation between presence of high molecular weight collagen fragments and reduced procollagen synthe-sis[J]. J Invest Dermatol, 2002,119(1):122-129.

[20] von WLK, Keul P, Ferri N, et al. Integrin-mediated transcriptional activation of inhibitor of apoptosis proteins protects smooth muscle cells against apoptosis induced by degraded collagen[J]. Circ Res, 2006,98(12):1490-1497.

[21] Rock K, Grandoch M, Majora M, et al. Collagen fragments inhibit hyaluronan synthesis in skin fibroblasts in response to ultraviolet B (UVB): new insights into mechanisms of matrix remodeling[J]. J Biol Chem, 2011,286(20):18268-18276.

[22] Bissell MJ, Hines WC. Why don′t we get more cancer? A proposed role of the microenvironment in restraining cancer progression[J]. Nat Med, 2011,17(3):320-329.

[23] 曾继平, 毕 波, 陈 亮, 等. 脂肪来源干细胞对光老化成纤维细胞的治疗作用[J]. 中国美容整形外科杂志, 2013,24(10):581-586.

国家自然科学基金资助项目(81272125;81301642)；上海市卫生系统优秀学科带头人资助项目(XBR2011033)

200040 上海，复旦大学附属华东医院 整形外科

卢勇舟(1990-)，男，河南安阳人，硕士研究生.

刘天一，200040，复旦大学附属华东医院 整形外科，电子信箱：tianyiliucn@126.com

10.3969/j.issn.1673-7040.2015.04.008

2014-11-12)