瘢痕疙瘩病理机制研究进展

陈 莉,朱雨昕,李霄鹤,肖 婷,谷小婷,周红刚

(南开大学药学院,天津市分子药物研究重点实验室,天津 300350)

瘢痕疙瘩(keloid)是一种皮肤纤维增生性疾病,由皮肤受伤或刺激后创面的异常愈合引起[1],好发于胸部、肩部和其他容易暴露的皮肤区域[2],在男女中发病率基本持平,在生命的第二个十年发病率最高[3]。瘢痕疙瘩主要表现为成纤维细胞异常增殖,细胞外基质过度沉积[2],且在原创面的边界外广泛生长,产生过多的瘢痕组织[3],瘢痕疙瘩不会自行消退,常伴随痒痛不适,常规治疗选择包括硅胶片、加压疗法、病灶内类固醇、局部丝裂霉素 C、病灶内或局部 5-氟尿嘧啶 (5-FU)、手术切除、冷冻疗法、放射疗法、激光疗法和光动力疗法等[3],但都不能完全治愈,且治疗后复发概率极大,给患者的生活和心理均造成了极大影响。

瘢痕疙瘩的发病原因和具体病理机制目前尚不明确,已有研究表明瘢痕疙瘩的发生和发展与多种遗传和表观遗传因素有关,如可能通过不完全外显的常染色体显性遗传方式遗传,以及在深色皮肤个体和亚洲人中更常见[1],非洲人的瘢痕疙瘩患病率最高,其次是亚洲人和西班牙裔,白人的患病率最低[2]。

另外,已有研究表明,瘢痕疙瘩病理机制主要涉及细胞机制和分子机制两个层面。在细胞机制层面上,炎症细胞、成纤维细胞、肌成纤维细胞、角化细胞和黑素细胞等细胞,及其相关生长因子、白细胞介素(interleukin,IL)、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)和基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)等细胞因子与瘢痕疙瘩的发生密切相关,在分子机制层面上,瘢痕疙瘩的发病主要与转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)/Smad信号通路、核因子-Kappa B (nuclear factor-kappa B,NF-κB)、血小板衍生生长因子(platelet derived growth factor,PDGF)/血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor , VEGF)、信号传感器和转录激活因子3 (signal sensor and activator of transcription 3,STAT3)信号通路、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)、黏着斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)等密不可分。本文就瘢痕疙瘩的细胞机制和分子机制进行综述,可为瘢痕疙瘩病理机制的深入研究以及瘢痕疙瘩临床治疗方法的开发提供更多的理论基础。

1 瘢痕疙瘩发病相关的细胞机制

伤口愈合包括急性炎症期、细胞增生期、瘢痕形成期以及表皮等组织再生等复杂过程[4]。在伤口愈合的急性炎症期,受损组织产生中性粒细胞和巨噬细胞等免疫细胞,从而引起炎症反应,产生持续的局部炎症;除了免疫细胞,瘢痕疙瘩组织中的炎症细胞和成纤维细胞数量也会增加。免疫细胞、炎症细胞和成纤维细胞可产生多种相关细胞因子,通过在细胞外基质沉积、促炎、蛋白降解等发挥作用,影响瘢痕疙瘩的形成[5]。以下分别介绍了在瘢痕疙瘩发病机制中发挥重要作用的相关细胞。

1.1 与瘢痕疙瘩发病相关的细胞

1.1.1炎症细胞

1.1.1.1 巨噬细胞 在炎症阶段,巨噬细胞负责吞噬异物和微生物,并作为抗原呈递细胞刺激 T 细胞。巨噬细胞从伤口中浸润的单核细胞分化而来,参与伤口愈合,在瘢痕疙瘩的发病机制中发挥着重要作用。巨噬细胞可以释放各种对组织修复至关重要的细胞因子,巨噬细胞分为 M1 和 M2 两种类型,其中,M1 可以分泌炎症因子,如 IL-12 和 TNF-α,起到促进炎症的作用,而 M2 可以分泌抗炎细胞因子如 IL-2 和 TGF-β,起到减少炎症并促进组织修复的作用。

Jin等[6]研究表明,瘢痕疙瘩组织中巨噬细胞呈现高激活状态,并向M2亚型极化,这些巨噬细胞可促进调节性T细胞分化,与正常皮肤相比,瘢痕疙瘩组织中 CD14+巨噬细胞的浸润明显升高。

1.1.1.2 T细胞 T细胞在瘢痕疙瘩的形成中发挥了重要作用。除了 CD8+细胞毒性 T 细胞和 CD4+辅助 T 细胞(helper T cell, Th)外,CD4+T 细胞还可以进一步分为Th1、Th2、Th17、Tfh 和调节性 T 细胞(regulatory T cells,Treg)亚群。有研究表明,瘢痕疙瘩组织中大部分为记忆性 T 细胞,记忆 T 细胞是 T 淋巴细胞的一个高效的亚群,可参与多种炎症性皮肤疾病。

Treg 可以抑制炎症。有研究表明,瘢痕疙瘩中Treg 相关基因的表达明显高于正常皮肤,并且 Treg 能有效地增加纤维细胞中Ⅰ型胶原蛋白(collagen type 1 alpha 1,COL1A1)和Ⅲ型胶原蛋白(collagen type 3 alpha 1,COL3A1)的表达,Treg 细胞表达的 TGF-β 使胶原蛋白上调。这说明Treg 与瘢痕疙瘩中的胶原沉积具有密切关系。

1.1.1.3 肥大细胞 肥大细胞是驱动成纤维细胞活化和过度胶原沉积的一种炎性细胞,在皮肤中大量存在。肥大细胞在伤口修复的炎症阶段、增殖阶段和瘢痕形成阶段都发挥了重要作用,肥大细胞通过释放组胺和肿瘤坏死因子合成 IL-1β、IL-6、角质形成细胞生长因子和 VEGF,促进炎症、上皮再形成和血管生成。已有研究表明,与正常组织相比,瘢痕疙瘩组织中组胺水平升高以及含有组胺的肥大细胞数量增加[7]。与正常人群相比,瘢痕疙瘩患者更容易过敏,这是由于肥大细胞参与了过敏反应,而瘢痕疙瘩中的肥大细胞和活化的肥大细胞数量更高[8]。

1.1.2纤维化相关细胞

1.1.2.1 成纤维细胞 成纤维细胞作为瘢痕疙瘩皮肤组织的主要细胞成分,在调节细胞外基质的合成和重塑以及烧伤、外伤和手术后的伤口瘢痕愈合中起着举足轻重的作用。成纤维细胞是 IL-6 的主要来源,许多细胞因子和炎症介质已被发现可明显诱导成纤维细胞中 IL-6 的表达,在伤口愈合的过程中,成纤维细胞可产生大量胶原蛋白,导致胶原基质沉积。瘢痕疙瘩中的成纤维细胞密度更高,增殖率也增加,但凋亡率降低,这会进一步导致胶原基质的沉积和细胞因子的过度产生。Ashcroft等[9]通过提取瘢痕疙瘩的成纤维细胞和正常成纤维细胞、瘢痕成纤维细胞、病灶周围成纤维细胞和病灶内成纤维细胞,结果表明瘢痕疙瘩成纤维细胞可以释放细胞因子,使其他成纤维细胞增殖并增加胶原蛋白的合成。

1.1.2.2 肌成纤维细胞 肌成纤维细胞最初在愈合的皮肤伤口的组织中被发现,它具有成纤维细胞的分泌特征和类似于平滑肌的收缩特征,肌成纤维细胞活化是正常伤口愈合的一部分,通常在组织愈合后停止,但肌成纤维细胞持续活动,会导致胶原的沉积进而导致纤维化[10]。瘢痕疙瘩组织中,细胞外基质在肌成纤维细胞中过度沉积并取代临时基质,其组织病理结构和生物力学特性发生改变,最终导致皮肤硬化。因此,肌成纤维细胞是皮肤纤维化的关键效应细胞。

1.1.2.3 角化细胞 瘢痕疙瘩的主要特征是渐进侵入附近的正常皮肤,超出原伤口的边界[11],这依靠的是角质细胞的迁移能力。在正常组织发育、伤口愈合和瘢痕形成过程中,皮肤的角质细胞和成纤维细胞之间的相互作用也至关重要。有研究表明,瘢痕疙瘩中角质细胞分泌的因子对正常和纤维化组织中成纤维细胞的胶原沉积有调节作用,瘢痕疙瘩角质细胞也可使正常皮肤成纤维细胞胶原蛋白的生成明显增加,表明角质细胞与成纤维细胞存在密切联系。

1.1.2.4 黑素细胞 遗传因素(包括种族和肤色)和个体或环境因素是瘢痕疙瘩形成的重要原因[12]。有研究表明,病理性瘢痕的形成与肤色之间存在一定的关系,肤色较深的人比肤色较浅的人更容易产生瘢痕疙瘩[3]。黑人瘢痕疙瘩的发生率远高于其他种族,很少有白化病患者出现瘢痕疙瘩。瘢痕疙瘩的发生率在身体不同部位也不同,并且激素分泌增多和皮肤色素沉着的青少年和孕妇更容易发生瘢痕疙瘩[13]。这些现象提示着瘢痕疙瘩的形成与黑色素沉着密切相关。成纤维细胞可以通过分泌可溶性因子对黑素细胞的增殖和黑素体的合成和降解发挥作用,而黑素细胞可能分泌活性物质来促进成纤维细胞 DNA 的合成和增殖,这可能与瘢痕形成及色素形成有关。

1.1.3与瘢痕疙瘩发病相关的细胞因子 细胞可通过产生多种细胞因子在瘢痕疙瘩的形成过程中发挥作用,这些细胞因子包括生长因子如 TGF-β、PDGF、VEGF;促炎因子如白细胞介素 IL-1α、IL-1β、IL-6 和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)以及蛋白水解酶如基质金属蛋白酶等。这些细胞因子通过在细胞外基质沉积、促炎、蛋白降解等发挥作用,影响瘢痕疙瘩的形成。

1.1.3.1 生长因子(TGF-β、VEGF、PDGF) 中性粒细胞和巨噬细胞除在瘢痕疙瘩早期炎症中发挥作用外,这些细胞还可通过分泌 TGF-β 和 PDGF 等多种生长因子,促进瘢痕疙瘩发生。

促血管生成介质 VEGF 在调节瘢痕组织生成方面发挥着重要作用。多项研究表明瘢痕疙瘩中VEGF 高表达。来自瘢痕疙瘩患者的 CD34 细胞表现出比正常个体高 7 倍以上的 IL-8 基因表达和 5 倍以上的 VEGF 基因表达。此外,有实验证据表明抑制 VEGF 可以减少瘢痕组织沉积[14],如病灶内注射维拉帕米治疗瘢痕疙瘩,治疗后 VEGF 表达会有所降低。

1.1.3.2 白细胞介素类(IL-4、IL-13) 研究表明,瘢痕疙瘩组织中的促炎因子,如 IL-1α、IL-1β、IL-6 明显上调。另外,IL-4 和 IL-13 是皮肤纤维化的重要介质,IL-4/IL-13 通路的激活有助于纤维化皮肤病的产生和发展[15]。

1.1.3.3 肿瘤坏死因子-α(TNF-α) TNF-α 在各种纤维性疾病的发病机制中均发挥着作用,在瘢痕疙瘩的形成中也可能起重要作用[16]。有研究观察到 TNF-α 促进瘢痕疙瘩成纤维细胞增殖,并且 TNF-α 刺激导致 KFs 中 NF-κB、c-Jun N-末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)和 p38 MAPK通路的激活,从而导致瘢痕疙瘩的发生。

1.1.3.4 MMPs 细胞外基质的蛋白降解是皮肤创面修复和重塑过程中的主要因素之一。MMPs 是在包括组织修复在内的许多生理和病理重构过程中蛋白水解活性的重要介质[17]。其中,MMP-9 在正常的组织中不表达, MMP-2 在各种非炎症细胞中均有表达,而 MMP-1 可改善上皮增生程度较高的皮肤伤口愈合过程,并减少瘢痕形成。

1.1.3.5 其他 除上述提到的细胞因子外,还有一些研究较少的细胞因子,如趋化因子样因子-1 (chemokine-like factor-1,CKLF-1)在瘢痕疙瘩的免疫和炎症反应中可能也起关键作用。

2 瘢痕疙瘩发病相关的分子机制

瘢痕疙瘩发病的分子机制涉及多条通路,如TGF-β/Smad 信号通路、NF-κB 通路、STAT3 信号通路、黏着斑激酶等。这些通路通过不同的细胞因子及通路间的相互作用导致瘢痕疙瘩的发生。

2.1 TGF-β/Smad信号通路TGF-β1 是已知的最重要的纤维化促进因子[18],而TGF-β/Smad 信号通路是调节成纤维细胞和肌成纤维细胞中胶原形成的最典型的通路,它会导致这两种细胞的过度激活,造成胶原的过多形成,进而引起瘢痕疙瘩的发生[19]。TGF-β/Smad 信号通路介导靶基因表达上调导致的成纤维细胞增殖和胶原生成是瘢痕疙瘩形成的主要机制[20]。Shi等[21]和 Li等[22]研究表明,抑制 TGF-β/Smad 信号通路,能够显著抑制瘢痕疙瘩成纤维细胞的增殖和分化。这些研究表明,TGF-β/Smad 信号通路是在瘢痕疙瘩发病机制中的一个典型分子机制。

2.2 NF-κBNF-κB 家族成员本身是调节许多关键炎症基因的转录因子,NF-κB 通路的激活与瘢痕疙瘩成纤维细胞的异常细胞增殖以及细胞外基质过度产生密切相关[23]。Makino等[23]研究比较了瘢痕疙瘩成纤维细胞和正常成纤维细胞中 NF-κB 的活性水平,结果表明瘢痕疙瘩成纤维细胞中 NF-κB 平均基础活性约为正常成纤维细胞的 1.7 倍,证实了瘢痕疙瘩与 NF-κB 通路的激活有关。Lei等[24]研究也发现,抑制 NF-κB 通路可减缓瘢痕疙瘩组织的生长。

2.3 STAT3信号通路STAT3 是一种癌基因,是一种可被多种细胞因子和生长因子激活的潜在转录因子。STAT3 参与了多种生物学过程,包括细胞增殖和迁移、炎症及免疫反应[25]。Lim等[26]比较了体外培养的正常组织、瘢痕疙瘩组织以及正常成纤维细胞、瘢痕疙瘩成纤维细胞中 STAT3 的表达和磷酸化水平,发现瘢痕疙瘩组织及成纤维细胞中 STAT3 的表达和磷酸化均有所增强,通过降低 STAT3 的表达或抑制其磷酸化可显著减少胶原的合成,抑制瘢痕疙瘩成纤维细胞的增殖和迁移。

2.4 MAPK通路MAPK 是一组能被细胞因子、神经递质、激素、细胞应激及细胞黏附等激活的丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶。MAPK 通路下游包括细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)、JNK 和 p38 激酶。其中,JNK 和 p38 功能相似,与炎症、凋亡、生长均有关;ERK 主要与细胞生长、分化相关,其上游信号是著名的 Ras/Raf 蛋白。Li等[27]研究结果表明,TNF-α 的活性增强可进一步激活 NF-κB、JNK 和 p38 MAPK 通路,促进瘢痕疙瘩成纤维细胞过度增殖,说明 MAPK 通路在瘢痕疙瘩的发病过程中发挥重要作用。

2.5 FAK肌成纤维细胞是介导组织修复和纤维化的必需细胞类型,而 TGF-β 是肌成纤维细胞分化和活性的重要贡献者。TGF-β 可通过非经典 FAK 途径选择性促进组织修复和纤维化。成纤维细胞在迁移到原始伤口边界之外的过程中,细胞不仅会发生分子变化,还会发生机械调节,该过程由作为细胞内主干的肌动蛋白丝引导,并通过黏着斑复合物将外部机械信号转导到细胞中[28]。FAK 介导了肌成纤维细胞分化,有可能成为治疗药物的新靶点,这一通路也为瘢痕疙瘩临床药物的开发提供了新的方向和思路。

2.6 其他分子机制除了上述研究机制,还有一些研究较少,但可为治疗瘢痕疙瘩提供新思路的分子机制,如Chen等[29]研究表明,Akt/PI3K/mTOR 通路在瘢痕疙瘩的发生发展中起作用,另有Feng等[30]研究表明,IL-6/JAK2/STAT3通路的活跃会促进成纤维细胞增殖和细胞外基质沉积,进而导致瘢痕疙瘩。

3 展望

瘢痕疙瘩是皮肤伤口愈合或不明原因所致皮肤损伤愈合后所形成的过度生长的异常瘢痕组织,手术治疗后容易复发,且目前仍无有效治疗药物。瘢痕疙瘩发病机制尚不完全明确,其形成过程涉及多种细胞、细胞因子以及多种分子机制。目前已有针对炎症细胞、成纤维细胞及 TGF-β 这些机制的治疗方法,均无显著治疗效果。因此,有必要对瘢痕疙瘩发病机制中涉及的角化细胞、黑素细胞以及 STAT3、TNF-α、CKLF-1 及 COX-2/PGE2 等信号通路进行深入研究,对瘢痕疙瘩进行的深入的药理机制研究,寻找治疗瘢痕疙瘩的更有效的治疗靶点,为瘢痕疙瘩临床药物治疗方法的开发提供一些新思路。