成纤维细胞老化分子机制与皮肤衰老的关系及研究进展

徐一凤 王淳 张梓菁 吴雪岩 柳大可 曾祥吉 金梅花 韩东河

[摘要]皮肤衰老是器官老化的最明显表现，其中外部环境和机体内在代谢因素均可加速皮肤老化和退变。研究指出，成纤维细胞的功能改变是导致皮肤衰老的主要原因，与真皮厚度变薄、皮肤干燥、粗糙、光泽降低及弹性减退密切相关。因此，本文将聚焦成纤维细胞自身功能学改变、胶原蛋白合成与代谢、成纤维细胞老化分子机制，探讨成纤维细胞老化与皮肤衰老之间的关系，为研究皮肤衰老提供理论参考。

[关键词]皮肤衰老；成纖维细胞；胶原合成；真皮；信号通路

[中图分类号]R339.3+8    [文献标志码]A    [文章编号]1008-6455（2023）07-0199-03

The Relationship between the Molecular Mechanism of Fibroblast Aging and Skin Aging and Research Progress

XU Yifeng1，WANG Chun1，ZHANG Zijing2，WU Xueyan1，LIU Dake1，ZENG Xiangji1，JIN Meihua2，

HAN Donghe1

（1.Department of Anatomy，School of Medicine，Dalian University，Dalian 116622，Liaoning，China; 2.Chronic Disease Research Center，Dalian University，Dalian 116622，Liaoning，China）

Abstract： Skin aging is the most obvious manifestation of organ aging， in which both the external environment and the body's intrinsic metabolic factors， can accelerate skin aging and degeneration. Studies have pointed out that the functional changes of fibroblasts are the main cause of skin aging， which is closely related to thinning of dermal thickness， dry， rough skin， reduced luster， and hypoelasticity. Therefore， in this paper， we will focus on the functional changes of fibroblasts themselves， collagen synthesis and metabolism， and the molecular mechanism of fibroblast aging， and explore the relationship between fibroblast aging and skin aging， providing a theoretical reference for the study of skin aging.

Key words： skin aging; fibroblasts; collagen synthesis; dermis; signaling pathways

随着人口老龄化程度逐渐加深，衰老相关性疾病及社会问题也日益突出，使“医学抗衰老”成为医学、生物学领域的研究热点。皮肤作为人体最大的器官，将机体内部与外界环境分隔开，并参与调节水分、维持体温、感受刺激等活动来维持机体稳态。此外，维持和逆转皮肤老化更是人们共同追求的外在表现，影响人们的社会交往和心理健康。因此，如何有效地控制真皮衰老及增加皮肤胶原合成能力，成为延缓皮肤衰老和防治皮肤病的研究热点。

1  皮肤衰老与成纤维细胞

皮肤是覆盖全身表面的器官，为机体和外环境提供了一种保护性的物理屏障[1]。研究显示，真皮在皮肤的衰老进程中会发生最为明显的退行性变化。如在内源性衰老中，胶原纤维会随着年龄的增长发生支离破碎，成纤维细胞的连接变得脆弱、松弛[2]。而外源性衰老则主要表现在皮肤弹性下降、皱纹和老年斑的增多，其中反复暴露在阳光下导致的光老化是最典型的外源性衰老[3]。研究指出，衰老皮肤的共同生物学特征是细胞老化和对表皮和真皮-表皮连接点的修饰，以及对细胞外基质（Extracellular matrix，ECM）的整体降解，从而导致胶原蛋白和弹性蛋白纤维的损害[4-5]。

与致密角质形成细胞组成的表皮不同，真皮主要由成纤维细胞、真皮树状细胞和肥大细胞等组成，它们负责合成和降解纤维和ECM蛋白。因此，研究成纤维细胞的胶原合成与代谢功能，以及与环境的相互作用关系对于研究真皮老化具有重要价值[6]。

2  成纤维细胞与胶原合成代谢

成纤维细胞（Fibroblast，FB）也称为纤维母细胞，其原型成纤维细胞来源于胚胎时期，在生长过程中，可逐渐分化为成纤维细胞，负责ECM分子的产生和募集[7]。研究认为，FB作为真皮中最主要细胞成分，其细胞增殖能力以及细胞功能上的退化是导致皮肤老化的主要原因。如DNA端粒逐渐缩短和慢性炎症、营养变化等因素造成的应激反应，均可导致不可逆的皮肤衰老[8-9]。

成纤维细胞的衰老机制有很多，如线粒体DNA（mtDNA）缺失，p53基因表达和衰老相关蛋白水平等。研究发现，调控DNA损伤及端粒损伤来维护细胞基因组稳定，可以调控细胞衰老和退变[10]。成纤维细胞在不同的培养环境中的形态和增殖也存在一定的差异[11]。研究显示，减弱细胞糖基化反应，降低晚期糖基化终末产物的含量，可以延缓细胞衰老[12]。老化的成纤维细胞不能对转化生长因子-β1蛋白（TGFβ-1）和结缔组织生长因子（CTGF）的刺激产生反应，会导致胶原沉积减少，并最终减少真皮胶原含量。此外，衰老可以通过α-平滑肌肌动蛋白（ɑ-smooth musle actin，SMA）表达的减少干扰肌成纤维细胞的分化，从而阻碍伤口收缩，改变ECM重塑能力。

研究显示，胶原蛋白的整体水平下降（主要是Ⅰ和Ⅲ）与成纤维细胞胶原蛋白合成的减少以及基质金属蛋白酶（MMPs）的增加有关[6]。基质金属蛋白酶-1（MMP-1）和MMP-2与金属蛋白酶组织抑制剂（TIMPs）是成纤维细胞合成和分解胶原的关键酶。其中MMP-1和MMP-2负责分解胶原，TIMPs负责维持胶原正常量。因此，维持胶原蛋白代谢平衡可保持皮肤内净胶原蛋白的充足，对防止皮肤起皱和弹性丧失具有重要意义[13]。以往的研究表明，MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-9、MMP-10、MMP-11、MMP-13、MMP-17、MMP-26和MMP-27在老年皮肤中均有升高。MMPs和TIMPs通常是协同调节的，以控制过量的基质金属蛋白酶活性。然而，老年皮肤MMP水平的升高并不伴随着内源性MMP抑制剂水平的相应增加，如光老化和内在老化皮肤中TIMP-1的量甚至被减少。这种失衡加速了真皮层的胶原断裂和皮肤退变。因此，研究成纤维细胞老化的分子机制，对改善皮肤老化进程具有重要价值。

3  成纤维细胞老化的分子机制

细胞衰老是皮肤衰老在细胞水平的反映。在细胞衰老的过程中，细胞会发生相应的改变，如：细胞形态扁平、体积增大，永久性细胞周期阻滞，DNA损伤积累等。而且细胞增殖能力减弱，细胞清除代谢废物的功能降低，导致受损蛋白质和细胞器过度积累和溶酶体活性（SA-β-Gal）的升高[14]。不仅如此，组织中的衰老细胞及其分泌物的长期存在可导致相关组织发生炎症和氧化损伤，甚至会产生一些致癌因子[15]。研究指出，衰老细胞在不同器官中的积累伴随着一系列复杂的衰老相关分泌表型（Senesence-associated secretory phenotype，SASP），包括促炎细胞因子（IL-1α、IL-1β、IL-6和IL-8）、生长因子（HGF、TGF-β）、趋化因子（CXCL-1/3和CXCL-10）和基质金属蛋白酶（MMP-1、MMP-2、MMP-3）[16]。因此，衰老细胞在组织中的持续过度积累，不仅会直接影响皮肤特征，还会加速与年龄相关疾病的发展[17]。目前成纤维细胞老化的分子机制主要有PI3K、TGF-?/Smad、miRNAS、NF-kB、FGF信号通路等。

3.1 磷脂酰肌醇-3-OH激酶（PI3K）机制：已知机体内外环境因素改变引起的成纤维细胞功能减弱对皮肤衰老起着重要作用。其中活性氧（Reactive oxygen species，ROS）积累引起的氧化应激可导致脂质、蛋白质、核酸和细胞器损伤，从而导致细胞衰老的发生[18]。研究显示，ROS通过对磷脂酰肌醇3，4，5-三磷酸（Phosphatidylinositol 3，4，5-trisphosphate，PIP3）的調控来促使成纤维细胞老化。PIP3的去磷酸化会使PIP3在复制的细胞中处于一个较高水平，以此来激活PI3K/AKT通路。再通过调控烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）氧化酶的表达及活性改变，使PTEN基因下调、PI3K信号激活，从而使蛋白激酶C（Protein kinase C，PKC）活化，最终增加ROS生成[19]。ROS作为多种信号通路的启动者，可以通过调控和激活转录因子来参与成纤维细胞的生长和增殖。在研究创口愈合实验中发现，PI3K/PKB/mTOR信号通路可以调节细胞外基质，控制蛋白质的合成，最终调控细胞的增殖和分化。此外，整合素连接激酶的PH结构域也可以与PI3K相结合，整合素连接激酶被激活后对PKB的Ser473进行磷酸化，通过PI3K/整合素连接激酶/PKB信号通路调节成纤维细胞的增殖分化[20]。有学者也发现PI3K/Akt通路参与TGF-β诱导纤维化过程的两个关键阶段，如成纤维细胞增殖、分化成肌成纤维细胞，并在对瘢痕组织研究时发现P13K/AKT抑制剂对Ⅰ型前胶原蛋白（Procollagen Ⅰ）具有明显的抑制作用，而对MMP-1发挥促进作用[21]。

3.2 TGF-β/Smad信号机制：研究表明，Smad蛋白3（Drosophila mothers against decapentaplegic protein 3，Smad3）表达降低，可直接导致人衰老皮肤中的Ⅰ型胶原数量减少。Smad2和Smad3都是TGF-β激活转录因子，同时也是细胞内重要的TGF-β信号通路转导器，而TGF-β信号的传递障碍会导致成纤维细胞I型胶原蛋白合成减少。在老年皮肤中，ROS诱导的活化蛋白-1（AP-1）会抑制真皮成纤维细胞TGF-β信号通路的激活。有研究显示，人参种子胚（GSE）和人参种皮（GSC）可有效上调TGF-β水平，从而抑制UVB介导的丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）和AP-1磷酸化水平的升高[22]。相关报道，雷帕霉素可直接激活TGF-β受体，从而激活TGF-β/SMAD通路，增加I型胶原的表达[3]。目前已有大量的实验证明了TGF-β靶向治疗具有一定的临床效果，如TGF-β1抗体靶向治疗肾纤维化。在Ⅰ/Ⅱ期人体临床试验中也发现了朱维斯塔形式的TGF-β3可改善皮肤的伤口愈合，但是在Ⅲ期试验中却失败了。因此使用TGF-β靶向治疗皮肤相关疾病，还需要进一步探讨。

3.3 微小核糖核酸（miRNAs）机制：研究表明，差异表达的miRNA参与细胞黏附、胶原合成、基因转录调控，在真皮衰老中发挥重要调节作用[23-25]。有学者分析了衰老皮肤中miRNA的表达变化，发现miR-302b-3p在衰老皮肤中异常高表达，并可通过靶向C-jun氨基末端激酶（JNK2）加速皮肤衰老过程。Xie HF等[26]则发现miR-377与DNA甲基转移酶（DNMT1）在年轻和光老化成纤维细胞中的表达存在负相关关系，即miR-377可通过抑制DNMT1的表达促进成纤维细胞的老化。也有研究探讨了1064-QSNYL对皮肤屏障和胶原合成的影响，并指出这可能是由miR-24-3p和p38 MAPK介导的[27]。最近，越来越多的证据表明，除了miRNA之外，lncRNA在真皮成纤维细胞的功能和表型变化中也具有不可或缺的调节作用。上调的lncRNA通过稳定硬皮病真皮成纤维细胞中的胶原mRNA表达来控制胶原合成，并发现lncRNA是协调胶原增生和成纤维细胞增殖的关键因素。因此，这些lncRNA在人皮肤成纤维细胞中的生物学功能值得进一步研究。

3.4 NF-kB机制：已知核因子kB（NF-kB）是调节多种炎症和免疫基因表达的一种重要的核转录调节因子，在皮肤老化的过程中发挥着重要作用[28]。研究表明，Ⅰ型胶原蛋白（Col1a1）基因转录下调与NF-kB相关。成纤维细胞中NF-kB含量增高可引起Ⅰ型胶原蛋白的生成以及对炎症信号的敏感性均减弱，而这是皮肤衰老的一个特征。也有研究证明经银杏叶提取物处理的老化成纤维细胞，其MMP1表达下调，I型前胶原水平得到恢复。有研究进一步分析了丝裂原活化蛋白激酶/活化蛋白1（MAPK/AP-1）和NF-kB通路，发现它们可通过促进MMP1水平和促炎细胞因子分泌来诱导胶原降解[29]。最近在对柚皮素抑制皮肤衰老的研究中发现，柚皮素可以通过抑制NF-kB的活性，从而降低基质金属蛋白酶的表达，增加Sirt1基因的表达，进而对ROS诱导的皮肤弹性减弱和皮肤皱纹起到改善及促进皮肤再生的作用。也有研究表明，雷公藤甲素可通过抑制NF-KBp65转录活性，阻碍瘢痕疙瘩成纤维细胞的增殖及其瘢痕疙瘩成纤维细胞I型、Ⅲ型前胶原的表达[30]。因此，研究NF-KB与其他信号通路的相互调控作用，具有重要的研究意义。

3.5 成纤维细胞生长因子（Fibroblast growth factor，FGF）机制：已知FGF可诱导Ⅰ型胶原的合成，在调控皮肤衰老过程中发挥着重要作用。研究指出，FGF主要通过与受体酪氨酸激酶（RTKS）结合发挥作用，这可引起受体自身磷酸化以及特定靶蛋白如Raf-1、MAPK/Erk激酶（MEK）和细胞外信号调节激酶-1的丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基发生磷酸化。而这些酶可启动一系列生化反应，影响下游激酶的活性，调节细胞分裂等功能学改变。在研究生长因子对UVB诱导的皮肤光老化实验中，试验者利用重组人FGFa （rh-FGF1）证明了rh-FGF1对细胞氧化损伤具有明显的预防和保护作用，不仅可以提高细胞活力、提高细胞增殖能力，还能恢复辐射损失的胶原含量[31]。另一实验研究发现，秋葵种子提取物可以通过保护人体皮肤中的FGF-2含量来发挥抗衰老活性，从而有利于皮肤的年轻化[32]。目前已知FGF调节成纤维细胞的多种分子机制有RAS-MAP激酶通路、PI3K-AKT、PLC-γ以及STAT通路等。但FGF不仅涉及多个细胞外信号通路，还具有复杂的反馈调节机制有待进一步研究证明[33]。

综上所述，成纤维细胞老化是影响皮肤衰老的主要因素，与皮肤的胶原合成代谢，损伤修复能力以及营养因子分泌直接相关。因此，进一步研究成纤维细胞发生老化的分子机制，如基因功能改变、线粒体功能障碍、蛋白稳态失衡、营养因子分泌、干细胞耗竭以及衰老，将对有效预防和改善皮肤老化具有重要意义。

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[收稿日期]2022-04-13

本文引用格式：徐一凤，王淳，张梓菁，等.成纤维细胞老化分子机制与皮肤衰老的关系及研究进展[J].中国美容医学，2023，32（7）：199-202.