機(jī)械應(yīng)力對(duì)皮膚細(xì)胞生物學(xué)特性的影響

譚　芹　彭琬蘇　譚　城

·綜述·

機(jī)械應(yīng)力對(duì)皮膚細(xì)胞生物學(xué)特性的影響

譚芹彭琬蘇譚城

皮膚含角質(zhì)形成細(xì)胞、真皮成纖維細(xì)胞、黑素細(xì)胞等，機(jī)械應(yīng)力作用可影響細(xì)胞形態(tài)、增殖、分化、遷移、內(nèi)分泌等。該作用受機(jī)械應(yīng)力種類、大小及時(shí)間長(zhǎng)短和效應(yīng)細(xì)胞所處細(xì)胞外基質(zhì)等微環(huán)境的影響。機(jī)械應(yīng)力作用影響皮膚傷口愈合、疤痕增生、色素沉著等一系列生理病理過(guò)程。

機(jī)械應(yīng)力； 角質(zhì)形成細(xì)胞； 皮膚成纖維細(xì)胞； 黑素細(xì)胞

細(xì)胞能感受機(jī)械應(yīng)力，以細(xì)胞骨架、離子通道、細(xì)胞外基質(zhì)等作為最主要感受器及傳導(dǎo)器，將其轉(zhuǎn)化為級(jí)聯(lián)生物分子反應(yīng)。受機(jī)械應(yīng)力影響，細(xì)胞骨架變構(gòu)，細(xì)胞膜上包括整合素在內(nèi)的多種膜蛋白將重新構(gòu)象，并且在其功能發(fā)生相應(yīng)改變后將胞外物理信號(hào)轉(zhuǎn)入胞內(nèi)，級(jí)聯(lián)激活下游生物學(xué)信號(hào)通路：鈣依賴信號(hào)通路（calcium dependent Pathways）、一氧化氮（NO）信號(hào)通路、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs）、G蛋白R(shí)ho（Rho GTPases）和磷酯酰肌醇3-激酶（phosphoinositol-3-kinase，P13K）等［1，2］。機(jī)械應(yīng)力在細(xì)胞膜相位能調(diào)節(jié)鈣離子通道、瞬時(shí)受體電位（Transient receptor potential，TRP）通道、連接蛋白和Piezos蛋白等多種機(jī)械敏感離子通道開(kāi)闔，進(jìn)一步調(diào)節(jié)第二信使分子-Ca2+等離子在胞內(nèi)濃度，進(jìn)而間接調(diào)節(jié)多種關(guān)鍵酶活性［3］。此外機(jī)械應(yīng)力效應(yīng)細(xì)胞所處細(xì)胞外基質(zhì)等微環(huán)境也影響此作用，參與細(xì)胞黏附的分子如生長(zhǎng)因子受體、β-連接蛋白和Yes關(guān)聯(lián)蛋白（Yes-associated protein，YAP）等都參與機(jī)械應(yīng)力感受及傳導(dǎo)。

周期性應(yīng)力、剪切力、牽拉力、壓力、膨脹擴(kuò)張等機(jī)械應(yīng)力刺激影響多種細(xì)胞增殖、分化、細(xì)胞形態(tài)和遷移。目前機(jī)械應(yīng)力對(duì)上述作用研究主要集中在內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和成骨細(xì)胞。皮膚含角質(zhì)形成細(xì)胞、皮膚成纖維細(xì)胞、黑素細(xì)胞等，因處人身最外而易受機(jī)械應(yīng)力作用。且臨床上機(jī)械應(yīng)力影響皮膚傷口愈合、疤痕增生、色素沉著等一系列生理病理過(guò)程。本文就機(jī)械應(yīng)力對(duì)皮膚中角質(zhì)形成細(xì)胞等生物學(xué)特征的影響綜述如下。

1　機(jī)械應(yīng)力與角質(zhì)形成細(xì)胞

角質(zhì)形成細(xì)胞（keratinocyte，KC）是表皮中最主要的細(xì)胞之一，也是皮膚發(fā)揮物理屏障功能細(xì)胞基礎(chǔ)。機(jī)械應(yīng)力可影響其增殖、分化、遷移、細(xì)胞形態(tài)和自分泌等功能，且不同種類機(jī)械應(yīng)力所影響功能的種類及程度也不盡相同。Yano等［4］以20%（硅膠長(zhǎng)度延長(zhǎng)20%）牽拉力持續(xù)性牽拉可調(diào)節(jié)硅膠器皿中KC 24 h后，其增殖率是空白組2倍左右。Takei等［5］周期性牽拉（10轉(zhuǎn)/min，150 mmHg）KC后其增殖率和DNA合成率分別為49.2%、37.7%，明顯高于未牽拉組，且周期性牽拉后增殖率明顯高于持續(xù)牽拉組。但Nishimura等發(fā)現(xiàn)，高頻率持續(xù)性牽拉（10轉(zhuǎn)/min，10%）促KC增殖，而間歇性牽拉（每牽拉5min間隔2 min，10%）48 h后，其增殖率開(kāi)始下降［6］。機(jī)械牽拉影響KC增殖、分化受絲裂原活化蛋白激酶（mitogenactivated protein kinases，MAPKs）信號(hào)調(diào)節(jié)。機(jī)械牽拉最終能磷酸化KC內(nèi)細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2（extracellular signal-regulated kinase 1/2，ERK1/2），c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，c-JNK）或應(yīng)激活化蛋白激酶（stress-activated protein kinase，SAPK），1h后達(dá)峰，然后激活轉(zhuǎn)錄激活因子1（transcription activitor，AP-1）發(fā)揮調(diào)節(jié)KC增殖、分化［4，7］。

機(jī)械應(yīng)力還能影響KC遷移。Lu等機(jī)械牽拉（20%，48 h）KC發(fā)現(xiàn)，KC沿牽拉力橫軸方向遷移，兩側(cè)遷移不對(duì)稱，含成纖維細(xì)胞基質(zhì)組遷移力增強(qiáng)? Boyden小室遷移實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明KC遷移率由下向上者較由上向下遷移增高（1.49±0.04 vs 1.06±0.05，P< 0.01），無(wú)纖維細(xì)胞基質(zhì)組遷移力低下。這表明：成纖維細(xì)胞所分泌的I型膠原具有協(xié)同促進(jìn)機(jī)械牽拉促KC趨化運(yùn)動(dòng)作用。機(jī)械應(yīng)力也影響KC形態(tài)，其外形長(zhǎng)軸與機(jī)械應(yīng)力力矩方向一致［8］。KC主要合成I型和II型角蛋白。受機(jī)械應(yīng)力刺激，KC在上調(diào)激活標(biāo)記物角蛋白6（K6）表達(dá)同時(shí)抑制KC分化標(biāo)記性角蛋白10（K10）的表達(dá)。白介素-1（IL-1）是免疫應(yīng)答主要調(diào)節(jié)分子之一，在表皮內(nèi)主要由KC分泌。Takei及Lee等團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，大于10%的周期性牽拉KC后，IL-1α或/和IL-1β表達(dá)升高［9，10］。Kurita等研究表明內(nèi)皮素-1（ET-1）在周期性應(yīng)力刺激下（10%，60轉(zhuǎn)/分，24 h）其表達(dá)明顯增強(qiáng)，這可能與摩擦后間接誘發(fā)色素沉著有關(guān)［8］。

2　機(jī)械應(yīng)力與皮膚成纖維細(xì)胞

皮膚成纖維細(xì)胞（fibroblast，F(xiàn)B）是真皮主要細(xì)胞組份，通過(guò)所分泌的無(wú)定形基質(zhì)、多種細(xì)胞因子對(duì)皮膚起營(yíng)養(yǎng)、支持及免疫調(diào)節(jié)作用。與KC一樣，皮膚FB受機(jī)械應(yīng)力刺激后也發(fā)生細(xì)胞形態(tài)重構(gòu)。

張歌等［11］對(duì)原代培養(yǎng)皮膚FB持續(xù)48 h施力拉伸30%后，其細(xì)胞數(shù)明顯高于未牽拉組，流式細(xì)胞儀檢測(cè)結(jié)果示，施力組進(jìn)入S期細(xì)胞數(shù)明顯高于未牽拉組。舒國(guó)茂等［12，13］以單次40%持續(xù)牽拉皮膚FB后，細(xì)胞增殖細(xì)胞核抗原（PCNA）表達(dá)增強(qiáng)，且處S期FB細(xì)胞率增高，表明持續(xù)牽拉能促進(jìn)FB增殖。機(jī)械應(yīng)力能促使皮膚FB以自分泌bFGF、TGFβ1方式促進(jìn)自身增殖。α平滑肌激動(dòng)蛋白是皮膚FB分化為肌成纖維細(xì)胞的過(guò)程中標(biāo)志性分子。Rolin等［14］機(jī)械牽拉（10%，1 Hz）皮膚FB 24 h后，α平滑肌激動(dòng)蛋白表達(dá)明顯增高，表明機(jī)械牽拉能促使皮膚FB分化為肌成纖維細(xì)胞。Huang等［15］以周期性應(yīng)力（10轉(zhuǎn)/min，24 h）干預(yù)皮膚FB后未觀察到其促增殖作用，但牽拉組皮膚FB平均以8.48 nm/s的速度遷移了7.76μm，遷移距離明顯遠(yuǎn)于對(duì)照組，表明機(jī)械應(yīng)力能促進(jìn)皮膚FB遷移。

Grymes等［16］以周期性應(yīng)力（20%，6.67次/分）牽拉彈性膜培養(yǎng)系統(tǒng)上皮膚FB后，原本雜亂排列的皮膚FB變得井然有序。皮膚FB在機(jī)械應(yīng)力作用下，細(xì)胞沿牽拉力力矩垂直方向整齊排列［15］。

合成細(xì)胞外基質(zhì)是FB的主要生理功能。Rolin等以延長(zhǎng)度為10%，頻率為1 Hz參數(shù)機(jī)械牽拉皮膚FB后，其I型前膠原蛋白和組織金屬蛋白酶抑制物合成增加，而基質(zhì)金屬蛋白酶-1（MMP-1）合成下降。已知MMP-1可以降解I型膠原，組織金屬蛋白酶抑制物拮抗上述作用，故機(jī)械牽拉與MMP活性密切相關(guān)。機(jī)械牽拉能上調(diào)皮膚FB I型膠原mRNA表達(dá)［17］。此外，機(jī)械應(yīng)力還可促進(jìn)皮膚FB以自分泌或旁分泌bFGF、TGFβ1途徑，參與細(xì)胞外基質(zhì)相關(guān)生理及病理反應(yīng)［12］。

3　機(jī)械應(yīng)力與黑素細(xì)胞

機(jī)械應(yīng)力對(duì)黑素細(xì)胞（melanocyte，MC）功能影響的研究較少。機(jī)械牽拉雖然可以引起MC增殖，但其促增殖作用不如對(duì)KC影響顯著［5，7，18］。Kippenberger等［18］周期性機(jī)械牽拉（10%，4 d）MC后，牽拉組MC增殖率較未牽拉組高出40%，熱休克蛋白90（HSP90）和其mRNA成倍增加，他們因此認(rèn)為HSP90表達(dá)增強(qiáng)與機(jī)械牽拉所致促M(fèi)C增殖作用密切相關(guān)。由于機(jī)械牽拉促進(jìn)黑素細(xì)胞增殖過(guò)程，常伴有ERK1/ 2和SAPK/JNK信號(hào)分子的激活，所以他們推測(cè)MAPK信號(hào)通路的激活是機(jī)械牽拉促M(fèi)C增殖的關(guān)鍵信號(hào)通路之一［7］。目前，體外實(shí)驗(yàn)表明機(jī)械應(yīng)力能促進(jìn)MC合成黑素，這也可能是由于ERK1/2激活后磷酸化MITF蛋白，從而酪氨酸酶等相關(guān)黑素合成酶蛋白的表達(dá)增加。這可能是皮膚擴(kuò)張器所致局部色素沉著的主要原因之一［19］。

角質(zhì)形成細(xì)胞、皮膚成纖維細(xì)胞和黑素細(xì)胞受機(jī)械應(yīng)力作用產(chǎn)生不同的生物學(xué)功能改變，除了所受機(jī)械應(yīng)力種類、大小和作用時(shí)間外，機(jī)械應(yīng)力效應(yīng)細(xì)胞所處細(xì)胞外基質(zhì)等微環(huán)境也影響此作用。該領(lǐng)域研究成果將為合理闡述皮膚擴(kuò)張、創(chuàng)傷修復(fù)、疤痕增生、色素沉著等病理生理過(guò)程及相應(yīng)臨床難點(diǎn)突破奠定良好的理論及應(yīng)用基礎(chǔ)。

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（收稿：2015-07-16 修回：2015-08-13）

In fluences ofmechanical stress on the pathophysiology of cutaneous cells

TANQin，PENGWansu，TAN Cheng.
Department ofDermatology，Affiliated Hospital ofNanjing University ofTCM，Nanjing，210029，China

TAN Cheng，E-mail：tancheng@medmail.com.cn

［Abstract］Skin contains keratinocytes，fibroblasts and melanocytes.Mechanical stress can damage the proliferation，differentiation，migration，cellularmorphology and endocrinology of the skin cells.Themechanical stress is affected by the species，magnitude of force，the length of time and the m icroenvironment of skin cells.The physiological and pathological process of healing of skin wound，scar and hyperpigmentation were also affected bymechanical stress.

mechanical stress?keratinocyte?dermal fibroblast?melanocyte

國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：81173400）

南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，南京，210029

譚城，E-mail：tancheng@medmail.com.cn