纤连蛋白在瘢痕疙瘩形成机制中的研究进展

刘子甲 胡银娥✉ 周粤闽

1 河南大学淮河医院 皮肤科,河南 开封 475000;2河南大学淮河医院 整形修复外科,河南 开封475000

瘢痕疙瘩是皮肤内结缔组织过度增生引起的良性皮肤肿瘤,常继发于皮肤损伤或炎症性改变,是一种纤维增生性疾病,其特征是成纤维细胞过度增殖和包括胶原蛋白及纤连蛋白等的细胞外基质(Extracellular Matrix,ECM)过量沉积[1]。纤连蛋白(Fibronectin,FN)是一种多功能糖蛋白,不仅在细胞黏附、迁移和分化中起主要作用,还在胚胎发育、伤口愈合和肿瘤发生中起重要作用,其表达的改变与纤维化和癌症有关[2]。目前已经有研究[3]表明,FN 在瘢痕疙瘩中表达升高。本文通过检索并回顾近10年文献,探讨FN 与瘢痕疙瘩形成机制的关系,希望从中找到新的治疗瘢痕疙瘩的方向。

1 瘢痕疙瘩的形成机制

1.1 遗传因素

瘢痕疙瘩在黄种人和黑种人中发病率较高,且有家族遗传倾向[4]。Chen等[5]研究表明,汉族家族性瘢痕疙瘩为常染色体显性遗传伴不完全外显,男女发病基本一致,主要发生在16～25岁的青春期,并倾向于在胸、背和肩上出现,呈对称性侵袭。迄今为止,已发现了几个易感性基因位点,认为与瘢痕疙瘩联系密切,例如转化生长因子-β1(Transforming growth factor-β1,TGF-β1)、微小RNA、神经前体细胞表达发育性下调基因4(Neural Precursor Cell Expressed Developmentally Down-Regulated Gene 4,NEDD4)、信号传导及转录激活因子3(Signal Transducers and Activators of Transcription,STAT3)、P53等[6-7]。

1.2 成纤维细胞增殖异常

成纤维细胞被认为是瘢痕疙瘩的主要诱导细胞及主要推动力,负责胶原纤维的沉积和ECM 的合成[8]。在培养基中培养瘢痕疙瘩成纤维细胞和正常成纤维细胞,可观察到培养基中的所有瘢痕疙瘩成纤维细胞均表现出快速增殖和凋亡率降低的特征[9]。瘢痕疙瘩成纤维细胞可以募集周围成纤维细胞以增殖并增加胶原蛋白合成的细胞因子,从而导致纤维化,促进瘢痕疙瘩的形成[10]。

1.3 生长因子表达异常

与正常成纤维细胞相比,瘢痕疙瘩成纤维细胞中促纤维化因子表达更高的水平,包括TGF-β、结缔组织生长因子(Connective Tissue Growth Factor,CTGF)、血管内皮生长因子(Vascular Endothelial Growth Factor,VEGF)等[11-13]。这些因子作用于成纤维细胞,产生促纤维化作用,其中TGFβ在瘢痕疙瘩的形成中起关键作用。TGF-β作为ECM 过度积累的关键驱动因子,当TGF-β过度表达或TGF-β1/SMAD 通路过度激活时,将会导致瘢痕疙瘩的发病[14]。

1.4 ECM 蛋白合成降解异常

瘢痕疙瘩的一大特点是ECM 蛋白的过度表达沉积,包括Ⅰ型胶原、FN、肌腱蛋白等[15]。在瘢痕疙瘩组织中胶原纤维呈粗束状而不是网络状,纤维更粗、更平行,纤维之间的交联更少[16]。与正常真皮相比,FN 在瘢痕疙瘩组织中均强烈表达,并定位于与瘢痕形成机制相关的纤维化病变[17]。此外,在瘢痕疙瘩组织中,可观察到与网状真皮中的胶原纤维相关的肌腱蛋白C 表达增加,并与FN 结合作为黏附分子参与纤维化[15]。

1.5 相关信号传导通路

近些年发现瘢痕疙瘩的形成与一些信号传导通路有关,包 括TGF-β/Smads通 路、P38 MAPK 通路、核转录因子-k B 通路、CTGF 通路、Wnt通路、Notch通路、m TOR 通路、ERK/JNK 通路、TLR4/7通路、Stat3通路、热休克蛋白47通路等[18]。FN 可通过TLR4通路及TGF-β通路在瘢痕疙瘩中起作用[19]。

1.6 其他

缺氧可通过TGF-β1/smad 3途径使成纤维细胞产生更多的胶原,在伤口愈合过程中形成纤维化从而促进瘢痕疙瘩的形成[20]。机械张力被认为在瘢痕疙瘩瘢痕形成中具有重要意义。机械张力可通过激活细胞内途径FAK-ERK-MCP-1,促进纤维化过程中的炎症以及成纤维细胞的活化,在瘢痕形成过程中发挥积极作用[21]。

2 FN 与纤维化

纤维化的定义是由于ECM 蛋白的过度沉积,从而导致不同组织和器官的生理结构丧失和功能障碍,并由各种细胞和分子通过一系列复杂的相互作用以上下相关的方式所驱动[22],因此,作为ECM 蛋白的主要成分,FN 的过度表达与纤维化密切相关。

2.1 FN 结构

FN 是一种由两个大约250 k Da的亚基组成的二聚体蛋白,两个亚基在其c末端通过一对二硫键相连,并且由Ⅰ型,Ⅱ型和Ⅲ型结构域组成[23]。这些结构域可折叠成串联的球形模块,为FN 提供了120～160 nm 的非常长的轮廓长度,并为细胞、其他基质分子和生长因子提供沿其长度分布的结合位点[24]。FN 在细胞外结缔组织基质和细胞外液中以血浆纤连蛋白(plasma Fibronectin,p FN)和细胞纤连蛋白(cell Fibronectin,cFN)的两种形式存在,p FN 是在肝脏中由肝细胞和内皮细胞生成的,在血液中以可溶性非络合分子的形式存在,而c FN 则是由成纤维细胞、早期间充质细胞分泌合成的,在ECM 中以不可溶性聚合形式存在[2]。

2.2 FN 的结构域及其功能

FN 由单个基因编码,并且由pre-mRNA 选择性剪接以创建大量剪接变体,主要的剪接类型发生在中心的Ⅲ型重复序列中,这些剪接变体包含或排除两个Ⅲ型重复序列,称为额外结构域A(Extra Domain A,EDA)和额外结构域B(Extra Domain B,EDB)[25]。EDA 也称为额外Ⅲ型重复序列,该结构域受到发育调控,调节序列位于外显子本身之内,而EDB调控序列位于外显子和下游内含子内,p FN 中不含EDA 和EDB[26]。两种同工型在组织修复、纤维化、肿瘤发展和血管生成中都起着至关重要的作用[2]。

EDA 已被证明与多种重要器官纤维化疾病有关,在不产生FN-EDA 的突变小鼠的研究中已经证明了FN-EDA 在纤维化中的重要性。当FN-EDA无效的小鼠接受博来霉素治疗后,它们未能发展出明显的肺纤维化,表明FN-EDA 是博来霉素诱导的纤维化发展所必需的[27]。除此之外,FN-EDA 还在银屑病及硬皮病等纤维化疾病中异常表达[28]。

由于初级转录物的可变剪接,EDB 在组织重塑和新血管形成中高表达,因此可在癌症生长中发挥重要作用[2]。已发现FN-EDB 在各种恶性肿瘤中高度表达,例如肺癌、乳腺癌和前列腺癌[29],且在肿瘤发生过程中介导由TGF-β引起的上皮间质转化(Epithelial-to-mesenchymal transition,EMT)[30]。

2.3 FN 的相关受体

FN 通过蛋白质的特定位点与整联蛋白的细胞受体相互作用[31]。整联蛋白是由α和β亚基组成的细胞表面异二聚跨膜受体,其将ECM 与细胞内肌动蛋白细胞骨架相连并调节特定的信号转导级联反应,因此,整联蛋白的作用是介导细胞—细胞和细胞—基质相互作用,以促进ECM 的重塑[31]。目前已发现11种不同的整联蛋白异二聚体可与纤连蛋白结合[23]。

其中整合素α9β1,α4β1和α4β7已被鉴定为EDA结构域的受体[32]。EDA 与α9β1 整合素相互作用对于皮肤伤口愈合过程中的上皮再形成至关重要[26]。此外还介导PI3-K 和Erk 激活诱导肺癌细胞中 的EMT[33]。EDA 与α4β1整合素介导结合EDA 诱导肌球蛋白轻链磷酸化,纤连蛋白合成和原纤维形成,促进皮肤组织纤维化[32]。EDA 与a4β7整合素结合通过激活MAPK-ERKl/2 相关的信号通路来参与、诱导成纤维细胞的分化,促使胶原蛋白沉积、细胞收缩[34]。大量研究[27]指出,FN-EDA 是纤维化发展的重要因素,表明FN-EDA 是组织炎症和纤维化过程之间的关键环节。相比于EDA 结构域,EDB结构域的受体较少见。FN-EDB 可通过整合素αVβ3介导加速免疫细胞对微生物的吞噬作用[35]。

EDA 另外一个重要的受体是Toll样受体4(Toll-like receptor 4,TLR4),EDA 通过TLR4显着增强了成纤维细胞对TGF-β1 刺激作用的敏感性,从而充当将自限性组织修复转化为顽固性纤维化的开关[36]。

3 FN 与瘢痕疙瘩

Bradbury等[27]研究表明,只有当涂在含有FNEDA 的基质上时,不含EDA 的肺成纤维细胞可能会经历TGF-β诱导的成肌纤维细胞分化,这些发现表明FN-EDA 可通过TGF-β激活诱导成肌纤维细胞分化从而在肺纤维化中起关键作用。同时与正常真皮相比,FN 在与瘢痕形成异常有关的纤维化病变中高度表达[17]。同样为纤维化疾病的瘢痕疙瘩是否也是通过纤连蛋白对TGF-β和成纤维细胞作用形成的,是一个重要的研究方向。

3.1 FN 与成纤维细胞

FN 诱导成纤维细胞的增殖,它的存在量增加可能导致成纤维细胞募集,并为愈合过程中的成纤维细胞重组提供框架,这些活动是伤口愈合以及重建损坏的组织所不可或缺的[32,37],证实FN-EDA 可通过真皮成纤维细胞促进FN 合成和纤维形成,Zhang等[38]研究表明,FN 可诱导成纤维细胞过度增殖和体外分化为成肌纤维细胞[38],为瘢痕疙瘩形成提供了条件。

Andrews等[17]研究表明,瘢痕疙瘩中TLR4通过介导外源性FN-EDA 在体外有效地刺激了胶原的产生和成纤维细胞的分化。FN-EDB可以活化成纤维细胞,加强成纤维细胞合成ECM 的能力及侵袭性[39]。Cui等[40]证明抑制EDB可抑制瘢痕疙瘩成纤维细胞增殖,但对细胞凋亡没有明显影响。

槲皮素可以通过抑制成纤维细胞增殖,从而抑制FN 的产生,对瘢痕疙瘩的治疗具有一定意义[41]。miRNA-217通过抑制FN 表达从而抑制成纤维细胞的生长和凋亡,可为瘢痕疙瘩纤维化的治疗策略提供新的见解[42]。

3.2 FN 与TGF-β

TGF家族成员可以通过改变剪接因子的活性和表达水平来控制FN 水平[43]。TGF-β1信号转导与纤连蛋白的产生密切相关,且TGF-β1诱导纤连蛋白合成增加是由于ERK,JNK 和P38激活并介导Smad3/4和AP-1途径,从而参与了纤连蛋白合成的激活[27]。与正常成纤维细胞相比,瘢痕疙瘩成纤维细胞中纤连蛋白的表达对TGF-β1刺激的上调反应更敏感,TGF-β1 可通过诱导嘧啶区结合蛋白使成纤维细胞增殖和纤连蛋白沉积[43]。

Chalmers等[44]研究表明,FN-EDA 上调先于胶原蛋白,而FN-EDA 是TGF-β1诱导肌成纤维细胞表型所必需的,因此用TGF-β1治疗正常的成纤维细胞,可导致FN-EDA 产量大幅增加。Liang等[45]研究表明,沙利度胺可以通过抑制TGF-β1诱导的P38和Smad3信号传导从而使抑制瘢痕疙瘩成纤维细胞纤维化,同时可通过抑制AP-1 和Smad3/4激活来抑制TGF-β1 诱导的纤维蛋白表达。Kelsh等[19]研究表明,FN-EDA 可能是瘢痕疙瘩持续增殖和TGF-β1 形成恶性循环的关键,FNEDA刺激TLR-4和整合素,以增强TGF-β1驱动成纤维细胞的活化和ECM 沉积,包括胶原和更多的FN-EDA,从而形成瘢痕疙瘩的恶性循环。Bhattacharyya 等[46]研究表明,FN-EDA可以通过TLR4受体起作用,来增强成纤维细胞的活化,从而导致TGF-β1的产生增加以及随后ECM 分子尤其是胶原蛋白的产生和积累,形成正反馈回路,并建立进行性纤维化。

此外,Cui等[40]研究表明,EDB 沉默可有效抑制TGF-β1诱导细胞增殖和胶原蛋白沉积,这是瘢痕疙瘩疾病的必不可少的病理学组成部分,这些作用与阻断TGF-β/Smad,ERK 和AKT 信号通路有关。

3.3 纤连蛋白与其他

肝细胞生长因子(Hepatocyte Growth Factor,HGF)和表皮生长因子(Epidermal Growth Factor,EGF)等生长因子也参与了FN 水平升高的调节[47]。最新的证据表明,EMT 在瘢痕疙瘩形成中起着重要作用,FN 可以通过诱导EMT 使角化上皮细胞的侵袭能力显著提升,最终导致瘢痕疙瘩侵袭原始伤口的边缘扩散至正常皮肤[48]。

4 总结与展望

复合因素使瘢痕疙瘩的形成机制较为复杂。其中靶向FN-EDA 及其受体的表达途径在瘢痕疙瘩的形成中起重要作用,是介导炎症和纤维化的关键。当FN-EDA过度表达时,将会与TGF-β1相互作用,最终导致瘢痕疙瘩的发生。此外,FN-EDB也可通过TGF-β1诱导瘢痕疙瘩成纤维细胞增殖,从而使瘢痕疙瘩加重。这些研究成果为瘢痕疙瘩的临床治疗提供了新的思路,将来进一步可以通过研究阻断FN-EDA 及FN-EDB的合成及其受体的相互作用,发现新的潜在治疗靶点以达到治愈瘢痕疙瘩的目标。纤连蛋白将会成为预防和治疗瘢痕疙瘩研究中的一个重要研究方向。