瘢痕疙瘩病理機制研究進展

陳 莉,朱雨昕,李霄鶴,肖 婷,谷小婷,周紅剛

(南開大學藥學院,天津市分子藥物研究重點實驗室,天津 300350)

瘢痕疙瘩(keloid)是一種皮膚纖維增生性疾病,由皮膚受傷或刺激后創面的異常愈合引起[1],好發于胸部、肩部和其他容易暴露的皮膚區域[2],在男女中發病率基本持平,在生命的第二個十年發病率最高[3]。瘢痕疙瘩主要表現為成纖維細胞異常增殖,細胞外基質過度沉積[2],且在原創面的邊界外廣泛生長,產生過多的瘢痕組織[3],瘢痕疙瘩不會自行消退,常伴隨癢痛不適,常規治療選擇包括硅膠片、加壓療法、病灶內類固醇、局部絲裂霉素 C、病灶內或局部 5-氟尿嘧啶 (5-FU)、手術切除、冷凍療法、放射療法、激光療法和光動力療法等[3],但都不能完全治愈,且治療后復發概率極大,給患者的生活和心理均造成了極大影響。

瘢痕疙瘩的發病原因和具體病理機制目前尚不明確,已有研究表明瘢痕疙瘩的發生和發展與多種遺傳和表觀遺傳因素有關,如可能通過不完全外顯的常染色體顯性遺傳方式遺傳,以及在深色皮膚個體和亞洲人中更常見[1],非洲人的瘢痕疙瘩患病率最高,其次是亞洲人和西班牙裔,白人的患病率最低[2]。

另外,已有研究表明,瘢痕疙瘩病理機制主要涉及細胞機制和分子機制兩個層面。在細胞機制層面上,炎癥細胞、成纖維細胞、肌成纖維細胞、角化細胞和黑素細胞等細胞,及其相關生長因子、白細胞介素(interleukin,IL)、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)和基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)等細胞因子與瘢痕疙瘩的發生密切相關,在分子機制層面上,瘢痕疙瘩的發病主要與轉化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)/Smad信號通路、核因子-Kappa B (nuclear factor-kappa B,NF-κB)、血小板衍生生長因子(platelet derived growth factor,PDGF)/血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor , VEGF)、信號傳感器和轉錄激活因子3 (signal sensor and activator of transcription 3,STAT3)信號通路、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)、黏著斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)等密不可分。本文就瘢痕疙瘩的細胞機制和分子機制進行綜述,可為瘢痕疙瘩病理機制的深入研究以及瘢痕疙瘩臨床治療方法的開發提供更多的理論基礎。

1 瘢痕疙瘩發病相關的細胞機制

傷口愈合包括急性炎癥期、細胞增生期、瘢痕形成期以及表皮等組織再生等復雜過程[4]。在傷口愈合的急性炎癥期,受損組織產生中性粒細胞和巨噬細胞等免疫細胞,從而引起炎癥反應,產生持續的局部炎癥;除了免疫細胞,瘢痕疙瘩組織中的炎癥細胞和成纖維細胞數量也會增加。免疫細胞、炎癥細胞和成纖維細胞可產生多種相關細胞因子,通過在細胞外基質沉積、促炎、蛋白降解等發揮作用,影響瘢痕疙瘩的形成[5]。以下分別介紹了在瘢痕疙瘩發病機制中發揮重要作用的相關細胞。

1.1 與瘢痕疙瘩發病相關的細胞

1.1.1炎癥細胞

1.1.1.1 巨噬細胞 在炎癥階段,巨噬細胞負責吞噬異物和微生物,并作為抗原呈遞細胞刺激 T 細胞。巨噬細胞從傷口中浸潤的單核細胞分化而來,參與傷口愈合,在瘢痕疙瘩的發病機制中發揮著重要作用。巨噬細胞可以釋放各種對組織修復至關重要的細胞因子,巨噬細胞分為 M1 和 M2 兩種類型,其中,M1 可以分泌炎癥因子,如 IL-12 和 TNF-α,起到促進炎癥的作用,而 M2 可以分泌抗炎細胞因子如 IL-2 和 TGF-β,起到減少炎癥并促進組織修復的作用。

Jin等[6]研究表明,瘢痕疙瘩組織中巨噬細胞呈現高激活狀態,并向M2亞型極化,這些巨噬細胞可促進調節性T細胞分化,與正常皮膚相比,瘢痕疙瘩組織中 CD14+巨噬細胞的浸潤明顯升高。

1.1.1.2 T細胞 T細胞在瘢痕疙瘩的形成中發揮了重要作用。除了 CD8+細胞毒性 T 細胞和 CD4+輔助 T 細胞(helper T cell, Th)外,CD4+T 細胞還可以進一步分為Th1、Th2、Th17、Tfh 和調節性 T 細胞(regulatory T cells,Treg)亞群。有研究表明,瘢痕疙瘩組織中大部分為記憶性 T 細胞,記憶 T 細胞是 T 淋巴細胞的一個高效的亞群,可參與多種炎癥性皮膚疾病。

Treg 可以抑制炎癥。有研究表明,瘢痕疙瘩中Treg 相關基因的表達明顯高于正常皮膚,并且 Treg 能有效地增加纖維細胞中Ⅰ型膠原蛋白(collagen type 1 alpha 1,COL1A1)和Ⅲ型膠原蛋白(collagen type 3 alpha 1,COL3A1)的表達,Treg 細胞表達的 TGF-β 使膠原蛋白上調。這說明Treg 與瘢痕疙瘩中的膠原沉積具有密切關系。

1.1.1.3 肥大細胞 肥大細胞是驅動成纖維細胞活化和過度膠原沉積的一種炎性細胞,在皮膚中大量存在。肥大細胞在傷口修復的炎癥階段、增殖階段和瘢痕形成階段都發揮了重要作用,肥大細胞通過釋放組胺和腫瘤壞死因子合成 IL-1β、IL-6、角質形成細胞生長因子和 VEGF,促進炎癥、上皮再形成和血管生成。已有研究表明,與正常組織相比,瘢痕疙瘩組織中組胺水平升高以及含有組胺的肥大細胞數量增加[7]。與正常人群相比,瘢痕疙瘩患者更容易過敏,這是由于肥大細胞參與了過敏反應,而瘢痕疙瘩中的肥大細胞和活化的肥大細胞數量更高[8]。

1.1.2纖維化相關細胞

1.1.2.1 成纖維細胞 成纖維細胞作為瘢痕疙瘩皮膚組織的主要細胞成分,在調節細胞外基質的合成和重塑以及燒傷、外傷和手術后的傷口瘢痕愈合中起著舉足輕重的作用。成纖維細胞是 IL-6 的主要來源,許多細胞因子和炎癥介質已被發現可明顯誘導成纖維細胞中 IL-6 的表達,在傷口愈合的過程中,成纖維細胞可產生大量膠原蛋白,導致膠原基質沉積。瘢痕疙瘩中的成纖維細胞密度更高,增殖率也增加,但凋亡率降低,這會進一步導致膠原基質的沉積和細胞因子的過度產生。Ashcroft等[9]通過提取瘢痕疙瘩的成纖維細胞和正常成纖維細胞、瘢痕成纖維細胞、病灶周圍成纖維細胞和病灶內成纖維細胞,結果表明瘢痕疙瘩成纖維細胞可以釋放細胞因子,使其他成纖維細胞增殖并增加膠原蛋白的合成。

1.1.2.2 肌成纖維細胞 肌成纖維細胞最初在愈合的皮膚傷口的組織中被發現,它具有成纖維細胞的分泌特征和類似于平滑肌的收縮特征,肌成纖維細胞活化是正常傷口愈合的一部分,通常在組織愈合后停止,但肌成纖維細胞持續活動,會導致膠原的沉積進而導致纖維化[10]。瘢痕疙瘩組織中,細胞外基質在肌成纖維細胞中過度沉積并取代臨時基質,其組織病理結構和生物力學特性發生改變,最終導致皮膚硬化。因此,肌成纖維細胞是皮膚纖維化的關鍵效應細胞。

1.1.2.3 角化細胞 瘢痕疙瘩的主要特征是漸進侵入附近的正常皮膚,超出原傷口的邊界[11],這依靠的是角質細胞的遷移能力。在正常組織發育、傷口愈合和瘢痕形成過程中,皮膚的角質細胞和成纖維細胞之間的相互作用也至關重要。有研究表明,瘢痕疙瘩中角質細胞分泌的因子對正常和纖維化組織中成纖維細胞的膠原沉積有調節作用,瘢痕疙瘩角質細胞也可使正常皮膚成纖維細胞膠原蛋白的生成明顯增加,表明角質細胞與成纖維細胞存在密切聯系。

1.1.2.4 黑素細胞 遺傳因素(包括種族和膚色)和個體或環境因素是瘢痕疙瘩形成的重要原因[12]。有研究表明,病理性瘢痕的形成與膚色之間存在一定的關系,膚色較深的人比膚色較淺的人更容易產生瘢痕疙瘩[3]。黑人瘢痕疙瘩的發生率遠高于其他種族,很少有白化病患者出現瘢痕疙瘩。瘢痕疙瘩的發生率在身體不同部位也不同,并且激素分泌增多和皮膚色素沉著的青少年和孕婦更容易發生瘢痕疙瘩[13]。這些現象提示著瘢痕疙瘩的形成與黑色素沉著密切相關。成纖維細胞可以通過分泌可溶性因子對黑素細胞的增殖和黑素體的合成和降解發揮作用,而黑素細胞可能分泌活性物質來促進成纖維細胞 DNA 的合成和增殖,這可能與瘢痕形成及色素形成有關。

1.1.3與瘢痕疙瘩發病相關的細胞因子 細胞可通過產生多種細胞因子在瘢痕疙瘩的形成過程中發揮作用,這些細胞因子包括生長因子如 TGF-β、PDGF、VEGF;促炎因子如白細胞介素 IL-1α、IL-1β、IL-6 和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)以及蛋白水解酶如基質金屬蛋白酶等。這些細胞因子通過在細胞外基質沉積、促炎、蛋白降解等發揮作用,影響瘢痕疙瘩的形成。

1.1.3.1 生長因子(TGF-β、VEGF、PDGF) 中性粒細胞和巨噬細胞除在瘢痕疙瘩早期炎癥中發揮作用外,這些細胞還可通過分泌 TGF-β 和 PDGF 等多種生長因子,促進瘢痕疙瘩發生。

促血管生成介質 VEGF 在調節瘢痕組織生成方面發揮著重要作用。多項研究表明瘢痕疙瘩中VEGF 高表達。來自瘢痕疙瘩患者的 CD34 細胞表現出比正常個體高 7 倍以上的 IL-8 基因表達和 5 倍以上的 VEGF 基因表達。此外,有實驗證據表明抑制 VEGF 可以減少瘢痕組織沉積[14],如病灶內注射維拉帕米治療瘢痕疙瘩,治療后 VEGF 表達會有所降低。

1.1.3.2 白細胞介素類(IL-4、IL-13) 研究表明,瘢痕疙瘩組織中的促炎因子,如 IL-1α、IL-1β、IL-6 明顯上調。另外,IL-4 和 IL-13 是皮膚纖維化的重要介質,IL-4/IL-13 通路的激活有助于纖維化皮膚病的產生和發展[15]。

1.1.3.3 腫瘤壞死因子-α(TNF-α) TNF-α 在各種纖維性疾病的發病機制中均發揮著作用,在瘢痕疙瘩的形成中也可能起重要作用[16]。有研究觀察到 TNF-α 促進瘢痕疙瘩成纖維細胞增殖,并且 TNF-α 刺激導致 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,從而導致瘢痕疙瘩的發生。

1.1.3.4 MMPs 細胞外基質的蛋白降解是皮膚創面修復和重塑過程中的主要因素之一。MMPs 是在包括組織修復在內的許多生理和病理重構過程中蛋白水解活性的重要介質[17]。其中,MMP-9 在正常的組織中不表達, MMP-2 在各種非炎癥細胞中均有表達,而 MMP-1 可改善上皮增生程度較高的皮膚傷口愈合過程,并減少瘢痕形成。

1.1.3.5 其他 除上述提到的細胞因子外,還有一些研究較少的細胞因子,如趨化因子樣因子-1 (chemokine-like factor-1,CKLF-1)在瘢痕疙瘩的免疫和炎癥反應中可能也起關鍵作用。

2 瘢痕疙瘩發病相關的分子機制

瘢痕疙瘩發病的分子機制涉及多條通路,如TGF-β/Smad 信號通路、NF-κB 通路、STAT3 信號通路、黏著斑激酶等。這些通路通過不同的細胞因子及通路間的相互作用導致瘢痕疙瘩的發生。

2.1 TGF-β/Smad信號通路TGF-β1 是已知的最重要的纖維化促進因子[18],而TGF-β/Smad 信號通路是調節成纖維細胞和肌成纖維細胞中膠原形成的最典型的通路,它會導致這兩種細胞的過度激活,造成膠原的過多形成,進而引起瘢痕疙瘩的發生[19]。TGF-β/Smad 信號通路介導靶基因表達上調導致的成纖維細胞增殖和膠原生成是瘢痕疙瘩形成的主要機制[20]。Shi等[21]和 Li等[22]研究表明,抑制 TGF-β/Smad 信號通路,能夠顯著抑制瘢痕疙瘩成纖維細胞的增殖和分化。這些研究表明,TGF-β/Smad 信號通路是在瘢痕疙瘩發病機制中的一個典型分子機制。

2.2 NF-κBNF-κB 家族成員本身是調節許多關鍵炎癥基因的轉錄因子,NF-κB 通路的激活與瘢痕疙瘩成纖維細胞的異常細胞增殖以及細胞外基質過度產生密切相關[23]。Makino等[23]研究比較了瘢痕疙瘩成纖維細胞和正常成纖維細胞中 NF-κB 的活性水平,結果表明瘢痕疙瘩成纖維細胞中 NF-κB 平均基礎活性約為正常成纖維細胞的 1.7 倍,證實了瘢痕疙瘩與 NF-κB 通路的激活有關。Lei等[24]研究也發現,抑制 NF-κB 通路可減緩瘢痕疙瘩組織的生長。

2.3 STAT3信號通路STAT3 是一種癌基因,是一種可被多種細胞因子和生長因子激活的潛在轉錄因子。STAT3 參與了多種生物學過程,包括細胞增殖和遷移、炎癥及免疫反應[25]。Lim等[26]比較了體外培養的正常組織、瘢痕疙瘩組織以及正常成纖維細胞、瘢痕疙瘩成纖維細胞中 STAT3 的表達和磷酸化水平,發現瘢痕疙瘩組織及成纖維細胞中 STAT3 的表達和磷酸化均有所增強,通過降低 STAT3 的表達或抑制其磷酸化可顯著減少膠原的合成,抑制瘢痕疙瘩成纖維細胞的增殖和遷移。

2.4 MAPK通路MAPK 是一組能被細胞因子、神經遞質、激素、細胞應激及細胞黏附等激活的絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶。MAPK 通路下游包括細胞外調節蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)、JNK 和 p38 激酶。其中,JNK 和 p38 功能相似,與炎癥、凋亡、生長均有關;ERK 主要與細胞生長、分化相關,其上游信號是著名的 Ras/Raf 蛋白。Li等[27]研究結果表明,TNF-α 的活性增強可進一步激活 NF-κB、JNK 和 p38 MAPK 通路,促進瘢痕疙瘩成纖維細胞過度增殖,說明 MAPK 通路在瘢痕疙瘩的發病過程中發揮重要作用。

2.5 FAK肌成纖維細胞是介導組織修復和纖維化的必需細胞類型,而 TGF-β 是肌成纖維細胞分化和活性的重要貢獻者。TGF-β 可通過非經典 FAK 途徑選擇性促進組織修復和纖維化。成纖維細胞在遷移到原始傷口邊界之外的過程中,細胞不僅會發生分子變化,還會發生機械調節,該過程由作為細胞內主干的肌動蛋白絲引導,并通過黏著斑復合物將外部機械信號轉導到細胞中[28]。FAK 介導了肌成纖維細胞分化,有可能成為治療藥物的新靶點,這一通路也為瘢痕疙瘩臨床藥物的開發提供了新的方向和思路。

2.6 其他分子機制除了上述研究機制,還有一些研究較少,但可為治療瘢痕疙瘩提供新思路的分子機制,如Chen等[29]研究表明,Akt/PI3K/mTOR 通路在瘢痕疙瘩的發生發展中起作用,另有Feng等[30]研究表明,IL-6/JAK2/STAT3通路的活躍會促進成纖維細胞增殖和細胞外基質沉積,進而導致瘢痕疙瘩。

3 展望

瘢痕疙瘩是皮膚傷口愈合或不明原因所致皮膚損傷愈合后所形成的過度生長的異常瘢痕組織,手術治療后容易復發,且目前仍無有效治療藥物。瘢痕疙瘩發病機制尚不完全明確,其形成過程涉及多種細胞、細胞因子以及多種分子機制。目前已有針對炎癥細胞、成纖維細胞及 TGF-β 這些機制的治療方法,均無顯著治療效果。因此,有必要對瘢痕疙瘩發病機制中涉及的角化細胞、黑素細胞以及 STAT3、TNF-α、CKLF-1 及 COX-2/PGE2 等信號通路進行深入研究,對瘢痕疙瘩進行的深入的藥理機制研究,尋找治療瘢痕疙瘩的更有效的治療靶點,為瘢痕疙瘩臨床藥物治療方法的開發提供一些新思路。