机械生物学与创面愈合研究进展

李 巍，岑 瑛

(1.四川大学华西医院整形烧伤科，四川 成都 610041；2.四川省医学科学院·四川省人民医院烧伤科，四川 成都 610072)

机械生物学与创面愈合研究进展

李 巍1，2，岑 瑛1

(1.四川大学华西医院整形烧伤科，四川 成都 610041；2.四川省医学科学院·四川省人民医院烧伤科，四川 成都 610072)

细胞和组织的机械生物学的基础和临床研究指出机械力在皮肤再生和伤口愈合过程中的重要性。本文简述细胞外基质刚度对细胞生理学的特殊限制，定义了何种机械变化及其如何影响组织再生和伤口愈合，机械信号在细胞增殖、分化和皮肤再生过程中的影响，旨在说明机械生物学在皮肤损伤修复和伤口愈合中的作用机制。

机械生物学；创面愈合

人体皮肤是一种以活跃的方式对影响其的物理力量作出反应的器官，它是一种多方面的生物系统，具有独特的塑性和再生能力。机械生物学的研究促进了使用支持创面愈合的机械力新疗法的发展。更好地理解生物力学将能更好的开发具有适当的物理和化学性质的生物材料用于治疗愈合不良的创面。本文通过认识机械信号在细胞增殖、分化和皮肤再生过程中的作用和机制来理解机械力变化如何影响组织再生与创面愈合。

1 创面愈合基础

人体皮肤损伤后组织的解剖连续性的恢复和功能的重建是一个复杂的，动态的过程，在时间上协调称为伤口愈合，分为四个连续的阶段：体内平衡，炎症，再上皮化和组织重塑。这些阶段是紧密组织和精确调节的复杂的细胞，信号通路和细胞外基质(ECM)之间的相互作用[1]。

在皮肤受伤之后，血管闭合，形成纤维蛋白聚集物，释放生长因子(如血小板衍生生长因子和表皮细胞生长因子)，与炎症相关的细胞(单核细胞，嗜中性粒细胞)迁移到伤口中。在接下来的1～3天中表皮角化细胞迁移到表皮的伤口床再生层，简称为上皮化，是功能性表皮的再生和防止感染发展的关键。真皮成纤维细胞向伤口区移位并开始ECM组分的合成与重塑。伤口区域中的成纤维细胞转化成肌成纤维细胞，收缩拉紧伤口边界。在这一阶段，肌成纤维细胞强力增殖和合成ECM的组件，同时保持组织完整性和促进其再生[2]。在受伤区域中产生新的，健康的组织取决于细胞增殖，迁移和分化。在任何阶段调节这些过程的机制出现障碍导致伤口愈合受损。受损的伤口愈合可以是缓慢的(如在糖尿病、褥疮或暴露于辐射的情况下)或加速的(与肥大和瘢痕疙瘩相关)。在加速愈合的情况下，存在大量的ECM沉积，增加的细胞增殖和伤口血管形成。

皮肤细胞对机械力的特异性反应对于伤口在物理环境中的行为方式是至关重要的。体外研究显示，成纤维细胞和角质形成细胞负责机械刺激，几乎所有方面的细胞行为可能受到调制，不当的力学转导是许多病理变化的原因，包括伤口愈合受损和瘢痕形成。

2 机械调节细胞增殖和分化

广泛接受的稳态概念描述了对组织的结构损伤激活生物体的反应以恢复受损的皮肤机械平衡。不同病因和解剖位置的创伤具有影响其愈合方式的特定机械性质[3]。细胞接受机械刺激的信号如何传递到细胞中，以及这些信号如何调节基因表达和蛋白质合成是重要的问题。作为机械传感器的细胞结构是细胞膜、机械敏感离子通道、糖萼、灶粘连、蛋白质和细胞间复合物。机械转导的基本机制是基于将细胞结构接收的机械信号转化为细胞间信号通路，以确定其与不同辅因子和靶基因特异性的相互作用，从而调节转录变化。在另一个模型中，细胞本身被认为是具有给定物理性质例如其粘度、弹性或刚度的区室化机械体[4]。

细胞受到其环境的机械力，例如ECM的柔软性或刚性，附着底物的差异或由相邻细胞施加的张力的影响。ECM的物理性质取决于结合ECM组分的整联蛋白的微米和纳米形貌。整联蛋白是形成粘附点的蛋白质复合物的一部分。它们负责在ECM的组分(例如胶原、层粘连蛋白、纤连蛋白和玻连蛋白)和肌动蛋白细胞骨架的衔接蛋白之间产生直接的物理连接。肌动蛋白丝与整联蛋白参与的结合过程在细胞中产生张力，其同时激活调节F-肌动蛋白聚合的肌动蛋白相关蛋白。这影响肌动蛋白丝和整联蛋白的空间组织，从而增加细胞对ECM的粘附。

而细胞微环境信号决定了干细胞的生长和分化的方向[5]：间充质干细胞(MSC)的分化方向决定于它们的几何形状，也取决于其直接周围环境的刚性。当在具有骨样刚性的合成底物上生长时，MSC分化成成骨细胞，当它们在中等刚性的底物上生长时分化为成肌细胞，在软底物上分化成神经元和脂肪细胞。已经表明，细胞角蛋白细胞骨架对角质形成细胞的力学和力学信号转导具有显著影响，损伤组织中的ECM改变其化学组成和刚度，启动修复过程。成纤维细胞接收的机械信号指导它们转化成肌成纤维细胞[6]。肌成纤维细胞的转化，在刚性3D胶原基质中，或在伤口肉芽化和纤维化组织期间，都必须用TGF-β1刺激。降低机械应力或降低ECM的刚性可诱导细胞凋亡并降低α-SM肌动蛋白和肌成纤维细胞收缩能力的表达。机械张力的增加和肌成纤维细胞的收缩都可以通过增加它们的收缩能力和它们的ECM组分的合成活性来激活细胞。另一方面，参与TGF-β1潜在形式活化的阻断整联蛋白(αvβ5、α3β1、α11β1和αvβ1)是调节肌成纤维细胞在伤口愈合过程中的活性的替代途径[7]。

集体的、协调的细胞迁移是伤口愈合机制的重要部分，类似于胚胎发育[8]和肿瘤细胞的入侵。与其他上皮相比，角质形成细胞产生特别强的细胞间连接，使得即使在具有很少或高度分散的ECM底物用于特定整合素受体的环境中也发生集体迁移[9]。细胞之间的连接可以促进伤口上皮化，同时对ECM具有有限的或变化的粘附，并且在缺少特异性整联蛋白的情况下促进伤口闭合。因此，描述缓慢或加速的伤口愈合中涉及的精确机制的关键研究领域是研究特异性整联蛋白，细胞骨架的组分和参与力学转导的靶蛋白的表达，以及进行彻底分析机械伤口环境[10]。

在细胞动力学的体外模型中，证明空间限制的消除导致细胞快速移动到S期，其过程取决于临界尺寸，形状以及指示细胞在其环境中的空间限制的机械信号的接收。这种机制与构成组织的单个细胞和细胞群有关，并且其导致停止细胞拥挤，从组织排除和凋亡[11]。当肌动蛋白的张力下降时，该机制被激活。细胞骨架张力的程度是确定细胞的空间大小的机械信号，并且可以通过调节细胞增殖的途径进行进一步转导，例如是相关蛋白(YAP)，S相激酶相关蛋白2(SKT2)或细胞外信号调节激酶(ERK)[12]。细胞骨架的动力学随细胞的机械环境变化而变化，在短时间内(比平均细胞周期时间更快)延伸。因此，开放空间可以增加细胞增殖，但是信号的短持续时间可以限制增殖的过度调节。该系统的功能已经在与发育和器官生长以及与异常增殖相关的病理过程中得到证明。这种机制可以在伤口愈合期间细胞再生和调节细胞增殖的模型中观察到。细胞不需要记录与伤口尺寸相关的信息，它们只侵入在该特定时刻可用的空间。降低细胞的机械张力激活增殖和迁移的过程，另外的细胞分裂填充开放空间，填充满后细胞回缩到它们在非活动状态下所具有的大小，其进一步分裂被抑制。总之，在发育、再生和癌细胞侵袭的过程中，G1-S期边界上的细胞周期的进展可以通过接受细胞环境的空间限制的机械敏感控制点来调节[13]。

理解力学传递的过程还需要研究什么样的机械力传递到细胞核。有证据表明，细胞骨架的直接机械耦合，加上核包膜和核心骨架中的变化，可以是调节基因表达的替代或另外的方式[14]。已有的观察证明，机械细胞刺激通过拉伸或压缩影响核的形状和核质结构的组织[15]。传递的机械力同时也影响基因表达，核蛋白接收和参与机械信号的转导，并与调节核心蛋白的活性的生物化学信号化结合[16]。

3 机械力量调节的转录因子

3.1 转录共激活因子YAP和TAZ YAP及其同源物TAZ(具有转录共激活因子与PDZ结合基序的转录共激活因子)是Hippo信号传导途径的关键效应物。在正常皮肤中，YAP位于表皮基底层和毛囊上皮的角质形成细胞的细胞核中。在愈合伤口中，YAP高度表达在愈合组织的整个区域内。YAP定位的地形学表明在愈合的皮肤中存在参与YAP易位至细胞核的信号的激活，最可能作为抑制Hippo通路的作用。对YAP定位偏移的另一种解释可能是组织损失和细胞区域机械环境变化的事实，这也可能激活YAP[17]。TAZ在正常组织中的免疫细胞化学定位显示其主要存在于成纤维细胞的细胞质中。在强烈的伤口愈合期间，大多数细胞中，TAZ从细胞质重新定位到细胞核。此外，TAZ的表达在经历强烈再生的组织区域更强。

它们的活性在磷酸化的途径上被Hippo途径的主要激酶LATS 1/2抑制。YAP和TAZ通过与属于TEAD家族(TEA结构域家族成员)的转录因子的相互作用激活基因转录。由YAP/ TAZ诱导的基因参与细胞增殖、凋亡避免、干细胞扩增、器官大小控制及组织再生的调节[18]。

YAP/TAZ转录共激活因子除了参与Hippo通路的信号传递之外，还与其它蛋白质相互作用并响应细胞的机械刺激。许多与YAP和TAZ分子结合的蛋白质具有结合肌动蛋白的能力，并且可以调节细胞骨架结构的变化，或受其调节[19]。

3.2 YAP和TAZ在皮肤稳态和伤口愈合中的作用 表皮的分层过程可以解释为由细胞-ECM接触的丧失诱导的细胞分化。YAP在表皮中的位置和活化似乎也依赖于细胞-ECM的相互作用。在表皮层的增殖细胞中，YAP定位在细胞核中，并且上层的分化细胞存在于细胞质中。核中YAP的增加增殖并抑制细胞分化。相比之下，YAP的失活导致增殖和早熟分化的抑制[20]。

表皮的体内平衡还取决于细胞-细胞接触。表皮中α-连环蛋白表达的降低导致YAP活性的增加；然而这种依赖性对于基底层细胞特别有限。在需要保持YAP活性的正确细胞-细胞接触的情况下，其它信号的存在是必要的，其可以包括响应于机械信号的细胞骨架动力学的移动。

在体内和体外的许多研究中，已经显示了YAP和TAZ表达和伤口愈合和组织再生的过程之间的关键依赖性。YAP和TAZ的核定位对组织再生能力和在伤口愈合期间对外部信号的反馈具有主要影响。在伤口愈合期间，向核的易位和YAP/ TAZ活化具有以伤口闭合，细胞增殖和胶原合成为特征的强的多效性作用[21]。YAP/TAZ的受伤抑制皮肤伤口愈合，这表明这些因素在组织再生中的重要作用。基于YAP/TAZ作为皮肤其他细胞类型的力学转导调节剂的多种功能，可能这种信号通路也介导表皮机械传感。

这些观察表明YAP/ TAZ通过动员TGF-β1的合成和激活参与创伤愈合的调节，并且与TGF-β1相关的信号诱导诸如SMAD和CTGF的因子的活性。结合信号通路YAP/TAZ与TGF-β1/SMAD是调节伤口愈合的多阶段过程的重要因素。

3.3 血清反应因子(SRF) SRF是在用血清处理的成纤维细胞中发现的转录因子。细胞突然暴露于血清作为表示损伤和组织损伤的信号，因此，它们开始愈合过程。血清暴露不仅导致有丝分裂激活，它是一个更复杂的过程，涉及对上皮和内皮细胞及成纤维细胞的影响[22]。

SRF负责调节增殖和细胞分化的基因的表达。SRF被促有丝分裂蛋白激酶或Rho-A通路激活，并通过调节因子，信号蛋白和细胞骨架组分产生快速转录反应。存在约300个由SRF应答元件组成的已知基因；其中，存在早期细胞反应的基因(例如c-FOS，cyr61)，其在伤口愈合过程中的表达是重要的。SRF是诱导伤口愈合过程中成纤维细胞分化的关键因素。SRF在干细胞，上皮细胞以及成纤维细胞中的过表达促进其向肌成纤维细胞的转化。

SRF的活性可以通过许多独立的途径来调节。在松弛的平滑肌细胞中，已经显示SMAD-7(TGF-β信号转导的抑制剂)与SRF的活性的关系。TGF-β水平的增加削弱了这种相互作用。已经表明，整联蛋白连接激酶(ILK)的激活和SRF磷酸化与TGF-β1信号传导相关。此外，丝氨酸-103处的磷酸化促进了与ILK活性成比例地将SRF与平滑肌的β-肌动蛋白连接的能力，并且还提高了蛋白质的稳定性。已经证明影响SRF活性的因素之一是细胞骨架的动力学和辅因子G-肌动蛋白MAL(巨核细胞白血病1)的活性。

3.4 S期激酶相关蛋白2(SKP2) SKP2蛋白第一次被确定为周期蛋白A-CDK激酶/S期复合物的重要元素。在进一步的研究中，它被描述为结合到SKP1的蛋白质，其与其组成连接酶泛素型SCF复合物(Skp1-cullin-F盒)，其通过依赖于泛素的蛋白水解参与细胞周期的调节。SKP2是SCF复合物的识别亚基，底物是p27蛋白。泛素化和p27的蛋白酶体降解使转换的S期细胞周期和促进细胞增殖[23]。

SKP2表达和增殖的促进是生长因子的信号转导和影响细胞的机械力之间协作的结果。在对平滑肌和成纤维细胞进行的研究中，显示生长因子在蛋白质稳定水平上调节SKP2的水平；相反，细胞的机械张力的增加导致蛋白质表达在转录水平上的增加。细胞对基质的粘附和细胞的机械张力是保持SKP2转录的条件。

SKP2启动子的活化取决于转录因子NFAT1(活化T细胞的核因子)的结合。NFAT1属于由细胞质中的钙离子水平激活的四种转录因子家族。钙离子通过依赖钙调素的机制激活钙调神经磷酸酶的磷酸酶。NFAT中丝氨酸的去磷酸化诱导构象变化，其暴露核定位信号(NLS)并覆盖核输出信号(NES)。NFAT1的完全去磷酸化导致构象变化，其激活蛋白质功能如转移到核，与DNA结合和转录激活。

4 发展前景和临床意义

细胞和组织力学生物学和临床基本研究更重要的问题是哪些分子在特定的通路相互作用响应机械力，如何控制目标基因活动，何种机械感觉扰乱皮肤再生和伤口愈合。这些研究的结果将有助于开发新的治疗。

在美容医学中使用A型肉毒杆菌毒素相关的观察指出在使用肉毒杆菌毒素的区域中瘢痕形成的减少，这些效应归因于在其重塑期间减少的伤口张力，从而减少肥大性瘢痕的形成[24]。

使用负压真空辅助闭合技术(NPWT)是支持各种慢性伤口的快速愈合的有效方法[25]。另一种有益的治疗方法是体外冲击波治疗(ESWT)[26]，被认为是软组织伤口的有效物理模式，并且可能诱导机械传导和免疫调节的机制，完成的伤口闭合和上皮化。这些技术的机制基于力学传导，研究结果和临床医生的意见显示了在伤口愈合和瘢痕形成过程中机械力转导的重要性，进一步的研究集中于评估最佳治疗参数和使用支持治疗的附加材料。在不久的将来，力学生物学与生物材料和纳米技术的科学对异常细胞信号负责增殖，分化、细胞死亡和恢复生物平衡进行的精确干扰。

此外，机械信号转导机制的知识及其参与某些基因的激活开辟了使用机械和药物治疗的组合疗法的新途径。在伤口愈合和瘢痕形成中重要性的增加将有助于设计新的临床治疗和外科手术，提高治疗的有效性。

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Research progress of mechanobiology and wound healing

LI Wei，CEN Ying

R622

B

1672-6170(2017)03-0131-04

2017-01-23；

2017-03-24)