徐曉霞 綜述,雷澤源 審校
(第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院整形美容科,重慶400037)
細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)是由蛋白、水和化合物所構(gòu)成的包裹在細胞外的復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),其在發(fā)育、組織動態(tài)平衡,以及傷后恢復(fù)中起關(guān)鍵作用。但在損傷修復(fù)中,由于ECM的調(diào)控存在物種差異,即ECM在一些動物體內(nèi)對細胞和可溶性成分動態(tài)響應(yīng)可有效修復(fù)受損組織,而在另一些動物體內(nèi)卻引起非細胞瘢痕組織纖維化,這種現(xiàn)象與巨噬細胞有著密切的關(guān)系。本文基于ECM在損傷修復(fù)中的關(guān)鍵作用,探索ECM成分在組織再生治療中的作用和策略,為組織修復(fù)和治療提供了方法和策略。
ECM是由蛋白、水和化合物所構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),其主要是定位在細胞的外部,用于包裹細胞。組成ECM蛋白質(zhì)包括至少27個膠原蛋白、3種以上不同形式的纖維連接蛋白,4種腱糖蛋白,以及基膜限制的層粘連蛋白家族[1]。ECM組分中這些蛋白質(zhì)家族可以相互作用。例如,纖連蛋白是含量最多的黏附基質(zhì)成分,其具有與膠原蛋白Ⅰ、纖維蛋白、葡萄糖胺聚糖和整合素結(jié)合的位點[2]。纖連蛋白和其他ECM成分通過與膜結(jié)合整合素受體相結(jié)合,誘導(dǎo)細胞內(nèi)信號通路及細胞功能的改變[3]。組成ECM的結(jié)構(gòu)蛋白和大分子物質(zhì)是構(gòu)成細胞結(jié)構(gòu)的重要組成部分。研究表明,ECM的組分可調(diào)節(jié)生長因子的釋放、血管再生、組織病理改變和炎癥應(yīng)答等,對于機體修復(fù)和再生有非常重要的作用[4]。ECM組分的蛋白質(zhì)組合既可通過細胞受體,提供黏性基質(zhì),以提高細胞的黏附性,又可在需要的情況下形成光滑基質(zhì),以便細胞遷移。而ECM環(huán)境則可影響細胞間的通訊方式,從而促進或限制細胞遷移、定位,以及影響信號轉(zhuǎn)導(dǎo)環(huán)境。在發(fā)育過程中,ECM的構(gòu)成可根據(jù)所處微環(huán)境及祖細胞群的情況進行動態(tài)的調(diào)整,以適應(yīng)細胞間通訊、細胞遷移等不同需求[5]。大量研究指出,ECM同樣影響著干細胞/祖細胞的細胞極性、屏障功能及其微環(huán)境,這對于維持一個復(fù)雜機體的穩(wěn)定是非常重要的。因此,ECM的組分可通過精確調(diào)控,在成人組織修復(fù)中扮演關(guān)鍵角色,其被認(rèn)為是決定修復(fù)過程的效率和質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一[1]。ECM組分和炎癥組織之間維持動態(tài)關(guān)系,以便于免疫細胞可以降解ECM分子和調(diào)控ECM相關(guān)分子的表達。當(dāng)ECM分子被免疫細胞降解后,進而激活免疫細胞信號通路,并釋放細胞因子[6]。
一些非哺乳類脊椎動物在許多組織中可以進行無瘢痕修復(fù),而哺乳動物對于組織損傷的修復(fù)常常會產(chǎn)生瘢痕[7]。即使哺乳動物肌肉的再生功能較強,但許多情況下發(fā)生的損傷,哺乳動物會用形成瘢痕組織的非細胞纖維化ECM基質(zhì)代替損傷組織。在修復(fù)輕微皮膚傷口時形成的瘢痕,對機體的影響極小,但是心臟或脊髓損傷形成的瘢痕可能會導(dǎo)致嚴(yán)重功能后果,甚至死亡。這些結(jié)果說明了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的再生,以及瘢痕形成的起始過程看來是截然相反的。本文通過對ECM組分在無瘢痕修復(fù)再生中的特性的綜述,以便用于探索人類傷口愈合和組織再生潛力的調(diào)控方式。
在蠑螈和斑馬魚的組織再生,包括截肢、心臟的心室切除、尾鰭甚至脊椎的損傷后的修復(fù)及再生中,ECM為了滿足傷口愈合、祖細胞形成、增殖,以及替代結(jié)構(gòu)再發(fā)育的需求而進行動態(tài)調(diào)節(jié)[7]。研究指出ECM的動態(tài)調(diào)節(jié)在蠑螈的無瘢痕皮膚修復(fù)和肢體再生的修復(fù)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用:無論是切斷了神經(jīng)、軟骨結(jié)構(gòu)、血管、肌肉,還是結(jié)締組織和皮膚,受損的組織均向血液中釋放大量因子,以啟動凝血級聯(lián)和補體系統(tǒng),形成了一個纖維蛋白凝塊[8]。同時上皮細胞迅速遷移到凝塊上方,真皮成纖維細胞緊隨其后,在上皮細胞和成纖維細胞下面形成暫時性的ECM基質(zhì),為干細胞聚集和生長因子釋放及儲存提供了良好的微環(huán)境。當(dāng)炎癥環(huán)境將白細胞募集到損傷部位后,其分泌多種蛋白酶,如基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP),便可將ECM基質(zhì)進行分解,使生長因子和其他配體釋放出來,激活相關(guān)細胞的胞內(nèi)外信號通路,進而發(fā)揮相關(guān)細胞生物學(xué)功能。
此外,ECM中組分的動態(tài)變化也為影響修復(fù)過程中干細胞的功能和分化[5]。在干細胞中,ECM的伸縮性影響到整合素的活化和轉(zhuǎn)運,從而影響到對調(diào)節(jié)整合素骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)受體內(nèi)在化[9]。其他研究指出使用人造生物材料ECM支架時,其支架的化學(xué)性質(zhì)不僅影響干細胞的分化,而且其物理性質(zhì),例如孔徑大小,纖維直徑,ECM硬度,以及化學(xué)交聯(lián)都會對細胞命運產(chǎn)生重大影響[10]。當(dāng)間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells,MSCs)在特定的ECM基質(zhì)上生成,其細胞的分化、功能與自然狀態(tài)下生長在類似基質(zhì)中MSCs分化和功能相近[11]。
斑馬魚和蠑螈皮膚受損修復(fù)后可以恢復(fù)到與正常組織結(jié)構(gòu)一樣,并且不會留下瘢痕,但人類及常見小家鼠的修復(fù)過程則會留下瘢痕[12-13]。其可能有如下原因:(1)哺乳動物皮膚中上皮/角化細胞的遷移發(fā)生在傷口凝塊之下,蠑螈的上皮細胞遷移發(fā)生在凝塊上面。(2)在肉芽組織及組織修復(fù)階段,哺乳動物創(chuàng)口的基質(zhì)改變過程與蠑螈不同。一般說來,創(chuàng)口修復(fù)中基質(zhì)開始形成是在纖維蛋白和纖維連接蛋白組成富含支架的透明質(zhì)酸分子之后。當(dāng)透明質(zhì)酸分子吸引水分后,使得基質(zhì)膨脹,并逐漸被膠原蛋白Ⅲ替代。對于大多數(shù)哺乳動物來說,透明質(zhì)算在修復(fù)早期就被膠原蛋白Ⅲ取代,并轉(zhuǎn)變?yōu)槟z原蛋白Ⅰ,與富含硫酸肝素蛋白多糖、軟骨素/皮膚素蛋白多糖形成非細胞瘢痕。相比之下,在蠑螈皮膚傷口修復(fù)和肢體再生過程中,基膜形成,膠原蛋白Ⅰ的合成和交聯(lián)都被延遲,直到修復(fù)的最晚期。
在傷口修復(fù)中,巨噬細胞是ECM分解、成纖維細胞激活、控制血管生成,以及外周神經(jīng)支配分布的重要調(diào)控因素[14-16]。巨噬細胞控制成纖維細胞功能,間接調(diào)節(jié)炎癥,直接調(diào)節(jié)成纖維細胞膠原蛋白的生成[17]。一些巨噬細胞亞類也可以將成纖維細胞轉(zhuǎn)化為肌成纖維細胞[18]。研究表明在蠑螈體內(nèi)系統(tǒng)性中去除巨噬細胞會徹底阻礙肢體再生,結(jié)果導(dǎo)致ECM及膠原蛋白大量沉積,在肢體末端形成巨大瘢痕。蠑螈有形成肌成纖維細胞的能力,但其功能卻受到巨噬細胞的抑制,而在大多數(shù)成熟的哺乳動物的巨噬細胞卻沒有產(chǎn)生同樣的抑制功能,這可能是由于在哺乳動物傷口愈合過程,免疫細胞對感染控制的優(yōu)先于重新完全恢復(fù)ECM結(jié)構(gòu),使巨噬細胞沒有發(fā)揮抑制功能,導(dǎo)致瘢痕的形成[19]。有趣的是,研究指出在發(fā)育早期,哺乳動物胚胎傷口愈合也是無瘢痕修復(fù)。最近研究發(fā)現(xiàn)新生小鼠的心臟在進行切除術(shù)或缺血性心臟損傷后也可完全修復(fù),而這一過程中的一個顯著的特征是ECM的大量合成。但當(dāng)新生小鼠去除巨噬細胞之后,心臟產(chǎn)生少量的ECM,并且不能進行無瘢痕修復(fù)缺血性心臟的損傷,在心臟損傷部位產(chǎn)生了纖維狀瘢痕,導(dǎo)致了心臟功能的降低[20]。上述研究說明新生小鼠心臟修復(fù)中,巨噬細胞可能通過調(diào)控ECM的合成而影響修復(fù)過程和結(jié)果。巨噬細胞調(diào)控ECM的機制研究雖未完全明確,但目前的研究主要集中在巨噬細胞亞群的分類,激活途徑及激活后的功能上。根據(jù)激活因子及激活后巨噬細胞合成、分泌的活性物質(zhì)不同將巨噬細胞分為兩大類[21],經(jīng)典激活的巨噬細胞和選擇性激活的巨噬細胞。巨噬細胞的經(jīng)典激活需要2個信號的刺激,第1個刺激信號是IFN-γ,第2個刺激信號是腫瘤壞死因子(TNF)或脂多糖(LPS)等細菌產(chǎn)物;經(jīng)典激活的巨噬細胞高表達TNF、白細胞介素(IL)-12等促炎癥因子,具有明顯的促炎癥效應(yīng);而選擇性激活的巨噬細胞主要是由IL-4或糖皮質(zhì)激素激活,激活后高表達IL-10等抗炎因子及TGF-β促纖維化因子,具有明顯的抗炎及促纖維化效應(yīng)。而最新的實驗研究中Lu等[22]發(fā)現(xiàn)在大鼠燒傷模型中注射氯膦酸鹽脂質(zhì)體(一種抗骨質(zhì)疏松癥藥,可用于局部去除巨噬細胞和全身去除巨噬細胞),通過降低巨噬細胞數(shù)量及其相關(guān)的TGF-β1表達,可以減少組織修復(fù)中膠原沉積和瘢痕形成??梢娋奘杉毎诮M織修復(fù)中調(diào)控ECM的關(guān)鍵作用。
近年來,再生醫(yī)學(xué)整合多學(xué)科資源,經(jīng)歷了重大進步,既使用細胞信號通路和ECM動態(tài)平衡之間相互作用的理論來構(gòu)造人造ECM支架等生物修復(fù)材料。通常來說,生物材料需要模仿健康組織中正常狀態(tài)的ECM,以提高生物材料與組織間的生物兼容性、最大程度上降低免疫原性及生物降解性[23]。此外,由于細胞對于不同的ECM組分均有相應(yīng)的整合素受體。因此通過構(gòu)建特殊成分的ECM,使目的細胞的整合素受體內(nèi)化及激活相關(guān)信號通路,從而使目的細胞在損傷修復(fù)過程的有益的生物學(xué)功能得到充分發(fā)揮,而降低對組織修復(fù)不利的因素[24]。膠原蛋白Ⅰ由于其普遍適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)適應(yīng)性被認(rèn)為是人工合成ECM中的首要組分[25]。同時根據(jù)構(gòu)建ECM支架等生物材料的一些生物化學(xué)和生物物理學(xué)特性,允許其加入其他修飾或因素,以提升支架性能。這種修飾類型多種多樣,例如纖維連接蛋白序列的整合以推進大腦組織工程中的神經(jīng)突觸生長[26];成纖維細胞和血管內(nèi)皮生長因子的轉(zhuǎn)運,以增強血管再生;骨缺陷修復(fù)使用的母體,其中含有干細胞和誘導(dǎo)分化的細胞因子,可以促進骨組織的修復(fù)[27]。其他研究已經(jīng)證實特定的ECMs組分可調(diào)控細胞的增殖、分化和存活信號通過[28],從而影響細胞的功能,這說明組織內(nèi)的ECM具有引導(dǎo)發(fā)育和再生潛在作用。因此,進一步研究ECM組分在組織細胞中的功能和機制,有利于設(shè)計、探索新的臨床治療的手段和策略。
ECM對于細胞功能、遷移,以及修復(fù)質(zhì)量的重要影響在近些年來已經(jīng)獲得認(rèn)可。對ECM的調(diào)控,從而改變機體修復(fù)過程和提高某些組織的再生潛力,有望成為在成熟哺乳動物機體上進行無瘢痕修復(fù)和組織再生的重要策略和手段。同時細胞與特定組分的ECM之間的動態(tài)相互作用也將成為未來設(shè)計用于再生治療的生物材料和人造支架的重要因素。通過對再生過程各個階段ECM組織、特性的了解,可以為更深入了解再生機制和合理設(shè)計治療性再生和修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。
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