胎兒無瘢痕愈合中機械力作用的研究進展

哺乳動物的皮膚創口愈合是一個精密而復雜的過程，多種信號通路和各類細胞間相互的交叉反應參與其中。早在20世紀50年代，Hess就發現胎兒的皮膚創口可快速愈合，隨后的研究證明一定胎齡的哺乳動物在皮膚損傷后可發生無瘢痕愈合。這一發現很快受到人們的重視，近幾十年來，已有大量研究對成體和胎兒創傷愈合的過程進行了比較。因此，對無瘢痕愈合機制更加全面地了解將有助于我們探索新的瘢痕治療策略。對于成年哺乳動物，研究證明機械力可影響皮膚損傷后的瘢痕形成。胎兒皮膚本身獨有的生理特性，在創傷愈合過程中，可與生物力學作用共同構成其特殊的微環境，影響瘢痕的形成。盡管如此，胎兒皮膚創面的生物力學作用卻常常被忽略[1]。本文就近年來關于生物力學作用于瘢痕愈合的研究狀況綜述如下。

1 生物力學特性對瘢痕形成的影響

胎兒皮膚創面的張力越高，創傷愈合時越容易形成瘢痕。盡管Burrington等[2]的研究證明第三妊娠中期為胎兒創傷愈合模式向成年后模式轉變的過渡階段，且胎兒創口的無瘢痕愈合在此之前持續存在，但并非所有的第三妊娠中期前的胎兒皮膚損傷后都能完成無瘢痕愈合。Cass等[3]發現即使是胎齡較小的哺乳動物，切口較大時，也會有瘢痕的形成。胎齡相同時，切口越大，形成瘢痕的可能性越大。這說明胎兒無瘢痕愈合的能力同時受創口的大小和胎兒的胎齡影響。這種現象同樣見于成年動物的皮膚創傷愈合，即機械力本身的力學特性影響瘢痕的形成。1983年，Wray等在臨床研究中提出切口縫合的張力與其愈合后形成的瘢痕寬度密切相關。此后，Meyer[4]也發現胸骨切開術和關節周邊創口常形成明顯的瘢痕，這說明創傷后瘢痕的形成可因機械作用力的增大而加劇；Aarabi等[5]的研究也證明，小鼠皮膚創傷后的組織重構早期，創口表面構建的高張力環境可誘導瘢痕的纖維化。隨著張力的提高，成纖維細胞的增殖被進一步激活，表現出增生性瘢痕的特點。總的來說，增生性瘢痕出現于受到多方向牽張力的區域，而延展性瘢痕則出現于僅受到軸性牽張力的區域。相反，機械作用力的降低也可明顯降低病理性瘢痕的形成。Gurtner等[6]在大動物實驗和1期臨床研究中發現腹部切口的應力遮擋的作用可明顯抑制瘢痕的形成，從而改善其外觀。人類皮膚對機械作用力有著精確的敏感性和反應性，幾乎皮膚中所有的組成細胞都可對機械作用力發生反應，從而也進一步說明了皮膚和皮膚創口與這些生理環境的相互作用[7]。

2 機械力參與胎兒特有的無瘢痕愈合過程

無瘢痕愈合過程中，胎兒皮膚表現出與成體不同的生理特性和反應特點，其主要差別包括炎性反應的差異，ECM基質的不同，成纖維細胞與生長因子的表達和反應差異，以及基因表達的不同等四個方面。這些特性與胎兒創面的生物力學作用密不可分，且共同構成了其特有的微環境，最終調節胎兒的皮膚創傷愈合。其主要的作用機制可能包括以下兩個方面。

2.1 機械力與胎兒皮膚細胞成分的相互作用：成纖維細胞和角化細胞（皮膚中的主要細胞群）可對一系列的生物力學刺激，如壓縮力，牽張力和剪切力等發生反應，進而影響創傷愈合的最終結果。與成體相比，胎兒皮膚中成纖維細胞的功能特性也不盡相同，其中包括膠原蛋白、透明質酸和其他細胞外基質成分的合成功能，細胞的增殖功能和向肌成纖維細胞分化的功能等[8]。胎兒成纖維細胞與機械力的相互作用或許是妊娠早期胎兒無瘢痕愈合的重要因素之一。

在1997年，Cass等[3]發現肌成纖維細胞的分布在有瘢痕和無瘢痕形成的創傷愈合中有明顯差異。胎齡為70天的胎羊由于創口的尺寸不同，可分別形成有瘢痕與無瘢痕的愈合創口，由成纖維細胞分化而來的肌成纖維細胞最早在損傷后24h即可出現，第3～7天達到峰值。但在損傷后第14天時，無瘢痕愈合創口的肌成纖維細胞數量明顯減少，而有瘢痕愈合創口中則仍大量存在。同樣在成體動物中，肌成纖維細胞也在皮膚損傷后的幾周內持續存在。這些現象或許可以解釋如下，切口較大且有瘢痕形成的胚胎創口，剪切力與創面張力均增大。剪切力的增大可啟動力傳導作用，從而誘導局部促纖維化生長因子的產生，如：TGF-β1和 TGF-β2等，進一步促使創面內的成纖維細胞分化為肌成纖維細胞[9]。肌成纖維細胞作為一組特異性的亞群，通過α平滑肌肌動蛋白（αSMA-一種具有收縮性的細胞骨架蛋白）的表達獲得收縮特性，進一步產生促纖維生長因子，并通過黏著斑激酶（FAK）等信號通路完成細胞的力傳導作用[10]。此外，肌成纖維細胞形成的收縮力也可改變膠原纖維的排列，進一步促進了瘢痕的形成。隨著成纖維細胞數量的逐漸減少，創面血管化的程度逐漸降低。在這一階段，膠原蛋白變成熟，瘢痕組織也變得更加蒼白，組織強度增高。當然，膠原蛋白的重構或許還受到一系列生長因子的影響，進而影響瘢痕的形成。而在無瘢痕愈合后期，創口中幾乎沒有肌成纖維細胞，因而不引起明顯的瘢痕形成和攣縮。研究表明胚胎成纖維細胞能較成體合成更多的Ⅲ型和Ⅳ型膠原蛋白，這可能是因為胚胎中磷酸酶活性的增強減弱了膠原蛋白合成率的限制作用[11]。未成熟的Ⅲ型膠原散在有序地沉積于創面，形成精細的網狀結構，而不像成熟的I型膠原蛋白，在收縮力的作用下沿著創口的張力線排列。可見胚胎成纖維細胞合成真皮細胞外基質的能力優于成體細胞，因而可在損傷部位形成良好的真皮結構。

此外，機械力作用還可能與細胞的基因表達有關[12]。細胞力傳導作用的一個重要通路是直接通過細胞骨架完成的。細胞骨架這一亞細胞結構成分連接細胞膜與細胞核染色質成分，并引起細胞核的表面遺傳學改變。可見，機械力可直接調節細胞核內的編碼反應。創傷部位的細胞則通過區分機械刺激中微小而短暫的變化，適應性地加強粘附結構[13]。

2.2 機械力與細胞外基質的相互作用：ECM不只是機械力的靜態傳感器，同時它也在力傳導過程中發揮著多種重要作用。皮膚發育中和損傷后ECM結構的變化影響著多種細胞的功能，如已知基質的硬度和韌度可調節細胞的形態、運動、分化和功能。角化細胞和成纖維細胞都可根據基質的硬度重組他們的肌動蛋白細胞骨架。而受基質硬度調節的膠原蛋白形成和增殖過程則進一步決定了瘢痕的硬度[14]。基質的韌度同樣被認為可促進腫瘤的生長和浸潤，且這些生物力學信號與腫瘤轉化的生化通路同樣重要[15]。胎兒皮膚的ECM成分與成體存在明顯區別，并影響著創傷愈合后瘢痕組織的形成。胎兒皮膚的ECM中富含Ⅲ型膠原蛋白和透明質酸。這種特殊結構可促使皮膚創面細胞成分的遷移，并通過支架表面受體與細胞的相互作用調節創傷愈合過程[16]。研究顯示胎兒ECM的Ⅲ型膠原蛋白與Ⅰ型膠原蛋白的比值高于成體，富含Ⅰ型膠原蛋白的組織較硬，而富含Ⅲ型膠原蛋白的組織則更富有彈性。此外，胎兒創面Ⅲ型膠原蛋白的迅速沉積可形成精密的網狀結構，更有利于細胞的遷移和再生，并促使創面形成無瘢痕修復。另一方面，胎兒皮膚中大分子透明質酸的水平高于成體動物，皮膚損傷后，透明質酸水平的增高也可持續3周，而在成體中，透明質酸的水平只發生短暫的升高并以小分子透明質酸為主。透明質酸作為細胞外基質的主要成分之一，陰離子端可吸附水分子，從而可抵御形態的改變，促進細胞的運動，更有利于創面的無瘢痕愈合。除了胎兒皮膚ECM特有的成分結構外，機械張力也可誘導ECM的結構改變，從而進一步調節其生物功能。例如：纖維粘連蛋白展開后可開放隱性的結合位點，調節細胞的活性，而基質成分也隨之改變，即改變基質結合信號與生化信號之間的位置關系[17]。此外，ECM可被具有特異性結合能力的生長因子與細胞活素識別，如：轉化生長因子β。與皮膚的創傷愈合相似的，在骨創傷愈合過程中，機械力的作用可誘導ECM表達堿性成纖維細胞生長因子（bFGF），形成軟骨力傳導平臺，其中，單細胞趨化蛋白1（MCP-1）等趨化因子與黏多糖結合，并可在機械變形后被持續釋放[18]。

最近的研究發現，一組新的細胞外基質蛋白可同時調節細胞和ECM的功能。這些基質細胞蛋白并不直接構建具有生理作用的基質，而是通過調節細胞和基質反應過程起作用。這些蛋白，即血小板反應蛋白，腱生蛋白C、X和蛋白的CCN家族（包括結締組織生長因子）等，也參與其他皮膚疾病[19]。尤其是腱生蛋白C和結締組織生長因子等基質細胞蛋白，它們在機械力對瘢痕形成的調節過程中起著重要的作用。我們還發現，當特異性地去除皮膚的黏著斑激酶后，機械力誘導基質形成的作用明顯減弱，其中部分原因可能是這一作用抑制了結締組織生長因子的信號通路。

總的來說，只關注細胞介導的力傳導作用是不夠的，還應考慮到ECM和基質細胞蛋白對機械力傳導的作用。ECM的這些物理特性和ECM作用于細胞的機械信號無疑可被機械力的作用改變，從而引發不同的細胞反應，如基質重構和細胞活素的分泌，來適應這些變化。具有機械敏感性的細胞-基質交叉反應也可能參與基質結構和功能的平衡過程。這些交叉反應可使我們更好地理解內在和外在生物力作用對皮膚愈合過程的影響。

3 小結和展望

Ferguson等認為瘢痕愈合是哺乳動物進化和適應外界環境的表現，通過傷口收縮，局部炎癥反應和瘢痕的形成可簡單、快速地關閉創面，縮短創面的暴露時間。胎兒的無瘢痕愈合可視為這種進化的還原，同時也是一種理想的組織再生修復的結果。對無瘢痕愈合機制的全面了解將有助于我們獲得更好的組織修復結果。已知胎兒和成體的創傷修復過程均與機械力的作用密切相關，因而機械力作用的因素是不容忽視的。隨著人們對機械力作用機制的了解，越來越多的基于生物力學的新療法被用于減弱成體創傷的瘢痕形成。Gurtner等[6]通過在創口周圍區域應用硅膠元件減弱腹壁成形術后切口的牽引力，明顯降低了組織修復后的纖維化程度。納米技術的應用使研究者們能夠更加準確地控制細胞介導的力傳導作用，并最終決定了細胞的功能和命運[20]。新的力傳導靶點的發現也引導著基于分子和藥理的新療法發展。此外，機械力對干細胞命運的影響也是我們探索皮膚再生的新策略切入點之一。隨著更多的關于機械力作用于組織修復和再生的生理機制被闡述，通過控制機械力作用抑制瘢痕的形成將具有更加廣闊的應用前景。

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[收稿日期]2012-12-01 [修回日期]2013-02-18

編輯/李陽利