擴張皮膚的組織形態(tài)學及相關細胞因子變化

宋曉冬 綜述 呂長勝 審校

擴張皮膚的組織形態(tài)學及相關細胞因子變化

宋曉冬 綜述 呂長勝 審校

皮膚軟組織擴張術的擴張過程，主要為機械應力作用導致皮膚軟組織的一系列組織形態(tài)學及其相關細胞因子等的生物化學改變，這也為快速擴張?zhí)峁┝搜芯炕A，我們就擴張皮膚的組織形態(tài)學及相關細胞因子變化進行綜述。

皮膚軟組織擴張術機械應力組織形態(tài)細胞因子

皮膚軟組織擴張術可獲得“額外”的皮膚軟組織，且顏色、質地、結構與鄰近受區(qū)近似。“額外”皮膚主要來源于機械應力反復刺激下表面皮膚的不斷擴展，鄰近皮膚向擴張區(qū)域的蠕變及表面皮膚細胞的分裂增殖[1]。同時，機械應力間接導致的組織細胞缺血缺氧反應，促進了毛細血管增生及多種細胞因子的釋放。簡言之，皮膚軟組織擴張術的擴張過程主要為機械應力作用導致皮膚軟組織的一系列組織形態(tài)學及其相關細胞因子等的生物化學改變，現(xiàn)對此綜述如下。

1 擴張皮膚組織形態(tài)學的變化

1.1 表皮層主要組織細胞形態(tài)學的變化

表皮位于皮膚的最外層，其基底層由有絲分裂活躍的角質形成細胞構成，可快速分裂。研究顯示，擴張后表皮的早期變化即以基底層為主[2]，主要表現(xiàn)為表皮組織略增厚，表面凹凸不平，皺褶明顯，釘突扁平，基底層細胞有絲分裂增加[3-4]。超微結構觀察可見表皮基底層呈波浪狀，細胞間距降低，基底層細胞有絲分裂活躍，內含大量粗大而散在的張力絲[5]。

基底層的角質形成細胞需不斷分化，向上層移形完成角化過程。多項研究證明，機械應力可以啟動絲裂原激活蛋白激酶（MAPK）級聯(lián)反應[6]及EPK1/2通路[7]，來促進角質形成細胞增殖分化。角質形成細胞根據(jù)分化程度的不同，可形成表皮干細胞，短暫擴增細胞和終末分化細胞[8]。表皮干細胞作為皮膚組織的特異性干細胞，可通過增殖、分化來維持皮膚的內穩(wěn)態(tài)。表皮干細胞不僅能夠分化為角質細胞，完成角質層的更新，甚至可以分化形成毛囊、毛發(fā)和皮脂腺。有文獻報道，通過免疫組織化學染色標記表皮干細胞的陽性標記物角蛋白19（CK19），觀察到擴張后表皮基底層CK19陽性細胞即表皮干細胞連續(xù)存在，同時向上形成復層結構、異位分布以及“鏤空”現(xiàn)象[9－10]。

1.2 真皮層主要組織細胞形態(tài)學的變化

真皮是一個動態(tài)的、依據(jù)體表位置及物理需求而不斷變化的結構，可分為乳頭層及網(wǎng)狀層。網(wǎng)狀層含有較粗大的交錯排列的膠原纖維束和彈力蛋白，也是皮膚擴張后真皮層主要變化所在。與表皮層增厚不同，真皮層在擴張早期厚度略有降低；彈力纖維拉長的同時伴有大量增生，尤以乳頭層增生顯著；網(wǎng)狀層膠原纖維合成增加，在機械應力作用方向上逐漸趨于平行，且纖維間隙增大，形成抗張能力減弱的疏松網(wǎng)狀結構；同時真皮層內有大量新生毛細血管形成[4，11]。有研究報道，以Ⅰ、Ⅲ型膠原纖維含量對維持皮膚張力、黏彈性及其比例對皮膚質量的重要影響為依據(jù)[12]，應用苦味酸天狼星紅染色，觀察到擴張早期以Ⅰ型膠原纖維為主，且排列紊亂，擴張后期Ⅰ型膠原纖維排列趨于規(guī)律，Ⅲ型膠原纖維逐漸增加[13]。Bosch等[14]也證實了周期性的機械應力對Ⅰ、Ⅲ型膠原纖維的調節(jié)具有時間依賴性。這也為不同擴張方式下皮膚質量的評定提供了依據(jù)。

真皮中膠原纖維的增加主要是通過成纖維細胞分泌來實現(xiàn)的。組織超微結構觀察可見，擴張皮膚內成纖維細胞體積增大，胞漿豐富，胞核及核仁增大，粗面內質網(wǎng)明顯，腔內存在分泌物，即合成的膠原蛋白[15]，說明擴張可以引起成纖維細胞功能活躍。這種改變可能在機械應力作用于細胞3～6 h即開始出現(xiàn)[16]。付思祺等[17]將正常皮膚的成纖維細胞種植在彈性硅膠膜上，以模擬擴張器定期注水的漸進式應力作用于細胞，觀察到細胞生長良好，被拉長并沿應力方向平行排列，且30%延長度的牽拉可刺激細胞增殖。已有多項離體實驗證實，機械應力引起真皮成纖維細胞及細胞外基質的增加，是通過調節(jié)細胞各種信號通路來激活轉錄因子，進而促進基因表達及蛋白質合成來實現(xiàn)的[18-19]。

1.3 真皮下組織及皮膚附件的變化

真皮下組織擴張后的改變較表皮、真皮層明顯。真皮下組織顯著變薄，脂肪細胞形態(tài)扁平、壓縮，體積縮小，脂肪小葉間纖維隔增厚，存在炎癥反應引起的纖維化。真皮下層的膠原纖維及成纖維細胞趨于平行排列[20]。皮下毛細血管數(shù)量增加。

擴張皮膚真皮層內毛囊等皮膚附件間距增加，密度降低，但形態(tài)正常，周圍出現(xiàn)炎癥反應及纖維化。有時可存在皮膚附件分離現(xiàn)象。終毛與毫毛的比例，及生長初期毛與生長終期毛的比例均升高，終止周期縮短[21]。

1.4 擴張囊外纖維包膜的形成

由于異物反應及機械應力的作用，可在擴張囊外形成厚薄不均的纖維包膜。李江等[22]應用維多利亞藍染色，在光鏡及電鏡下觀察，將包膜分為4層：①細胞層，主要有成纖維細胞、炎性細胞及少量的膠原纖維和網(wǎng)狀纖維；②細胞纖維層，有大量平行排列的膠原纖維，并有較多的成纖維細胞和毛細血管，另有少量的網(wǎng)狀纖維；③彈力層，彈力纖維呈同向緊密排列，并有少量膠原纖維；④纖維板層，含致密的膠原纖維，并有少量纖維細胞。膠原纖維又分為鐵絲網(wǎng)狀或螺旋狀排列的淺層及平行排列的深層。組織內的成纖維細胞一旦獲得表達SM－actin的能力，即變成肌成纖維細胞。Pasyk等[23]首先于擴張皮膚的真皮深層及包膜中發(fā)現(xiàn)了肌成纖維細胞，并指出擴張皮瓣真皮內存在肌成纖維細胞，表明其具有回縮的趨勢。超微結構顯示，肌成纖維細胞胞漿內出現(xiàn)大量的密斑、密體，大量的沿細胞長軸排列的微管、微絲，同時細胞間存在橋粒和縫管連接。顯然，擴張囊外纖維包膜的組織學結構決定了其具有收縮功能，對皮膚擴張的進程有一定的限制性。

2 擴張皮膚主要細胞因子的變化

細胞因子是一種能作用于靶細胞，產(chǎn)生生物學效應，并具有生物學活性的多肽類物質。凡是涉及到組織修復與再生的區(qū)域，均有細胞因子的參與，擴張皮膚也不例外。大量研究證明，在皮膚擴張過程中，細胞因子扮演著十分重要的角色，它們通過與細胞表面特異性受體結合，對細胞增殖、分化、遷移，以及基質合成都具有調控作用[24]。細胞因子的作用較為復雜，每種細胞因子并不是完全獨立的發(fā)揮作用，而是相互協(xié)調、共同發(fā)揮作用的。在機械應力作用于皮膚時，多種細胞因子會表現(xiàn)出時間依從性改變。

2.1 表皮生長因子

表皮生長因子（Epidermal growth factor，EGF）對表皮細胞、成纖維細胞等多種細胞均有強烈的促分裂作用，通過與細胞表面特異性EGF受體（EGFR）結合，刺激細胞進入分裂周期，并啟動細胞內一些重要功能，如基因活化、表達、分泌生物活性蛋白質等。劉學軍等[25]發(fā)現(xiàn)，EGF及b-FGF含量與皮膚擴張量之間存在正相關。Yano等[7]認為，機械應力使角質形成細胞增殖信號啟動，是通過Ca2+內流、EGFR磷酸化和ERK1/2通路實現(xiàn)的，間接說明了EGF在角質形成細胞增殖中的作用。

2.2 血管內皮生長因子

血管內皮生長因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）是一種強效的血管生成促進因子，在血管發(fā)生和形成中發(fā)揮重要的調控作用。它主要通過與細胞表面的血管內皮生長因子受體結合，影響血管內皮細胞的遷移、增殖和分化，同時能增加微血管的通透性。Zheng等[26]證實，周期性應力能促進血管內皮細胞分泌VEFG。

2.3 堿性成纖維細胞生長因子

堿性成纖維細胞生長因子（Basic fibroblast growth factor，b-FGF）是一種能促進細胞增殖和血管生成的多功能細胞因子，廣泛存在于細胞外基質內。對內皮細胞有促分裂和趨化作用，并能誘導內皮細胞分泌膠原酶和纖維蛋白酶，溶解基底膜并侵入周圍基質，進而形成毛細管樣腔狀結構[27]。同時，b-EGF可誘導內皮細胞合成和分泌一種內皮來源的血管舒張因子，使微血管擴張。有研究證實，擴張皮膚中b-EGF與EGF同時增加，并認為主要是皮膚擴張所致的缺氧，刺激了b-EGF含量的增加。

2.4 基質細胞衍生因子1α

基質細胞衍生因子1α（Stromal cell derived factor-1α，SDF-1α）是趨化干細胞的分子。SDF-1α能刺激多種炎性細胞釋放VEGF，如內皮細胞上的SDF-1α及其受體CXCR4相互作用，誘導內皮細胞的VEGF過表達來促進血管新生。SDF-1/CXCR4還能促進成纖維細胞生長增殖及膠原蛋白的合成。Zhou等[28]將MSCs移植于擴張皮膚來加速擴張，發(fā)現(xiàn)機械應力可上調皮膚中SDF-1α的表達，而MSCs高表達CXCR4受體，SDF-1α/CXCR4軸可調控MSCs向擴張區(qū)域即機械應力作用區(qū)域遷移。實際上，機械應力對SDF-1α表達的上調主要是因缺氧誘使低氧誘導因子（Hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）表達所致。機械應力下細胞膜Ca2+通道、整合素、受體酪氨酸蛋白增加或者通過PI3K/Akt/mTOR、MAPK通路來實現(xiàn)HIF-1α反應性高表達[29]，這在血管平滑肌細胞[31]、骨骼肌細胞[32]、成纖維細胞[33]中均有實驗證實。

2.5 血管緊張素Ⅱ

血管緊張素Ⅱ（AngiotensinⅡ，AngⅡ）可影響細胞的增殖和凋亡，調節(jié)細胞因子的基因表達，提高細胞對細胞因子的敏感性，與血管再生關系密切。AngⅡ可與AT1受體結合，促進血管內皮細胞增殖；與AT2受體結合，抑制血管內皮細胞增殖。劉宏偉等[33]采用免疫組織化學和RT-PCR方法，研究了ATl受體和AT2受體在擴張的皮膚中蛋白和mRNA表達的變化。結果表明，正常皮膚中ATl和AT2受體都有表達，擴張皮膚中僅ATl受體表達顯著增強，AT2受體表達變化不明顯，提示AngⅡ可能通過AT1受體參與擴張皮膚的病理改變。

此外，硫氧還蛋白（Thioredoxin，TXN）在擴張皮膚組織中的表達較正常皮膚高，可作為細胞因子與白細胞介素協(xié)同作用促進細胞增殖生長[34]。研究表明，機械應力作用于胎鼠的心肌成纖維細胞，可使多種細胞因子分泌增加，如TGF-β[35]、ET-1和TNF[36]等，但尚無擴張皮膚內上述細胞因子的研究。

3 小結

目前，皮膚擴張術應用廣泛，但擴張周期較長，皮瓣易發(fā)生破潰、栓塞等，因此有必要增加擴張的效率，縮短擴張所需的時間。近年來，關于快速擴張的研究日漸增加，相信隨著研究的深入，高效、快速的擴張術會在臨床得到更多的關注與應用。

[1]Takei T,Ira M,Katsuyu ki A,et al.Molecular basis for tissue expansion:clinical implication for the surgeon[J].Plast Recontr Surg,1998,102(1):247-258.

[2]Olenius M,Dalsgarded CJ,Wickman M.Mitotic activity in expanded human skin[J].Plast Reconstr Surg,1993,91(2):213-216.

[3]Giorgio P,Perry L,Saja S,et al.Tensile forces stimulate vascular remodeling and epidermal cell proliferation in living skin[J]. Ann Surg,2007,246(5):896-902.

[4]Johnson TM,Lowe L,Brown MD,et al.Histology and physiology of tissue expansion[J].J Dermatol Surg Oncol,1993,19(12):1074-1078.

[5]李江,魯開化,艾玉峰,等.持續(xù)恒壓擴張和常規(guī)間斷擴張后皮膚超微結構的改變[J].中華整形外科雜志,2002,18(6):365-366.

[6]Ingber DE,Tensegrity I.Cell structure and hierarchical systems biology[J].J Cell Sei,2003,116(Pt 7):1157-1173.

[7]Yano S,Komine M,Fujimoto M,et al.Mechanical stretching in vitro regulates signal transduction pathways and cellular proliferation in human epidermal keratinocytes[J].J Invest Dermatol,2004,122 (3):783-790.

[8]Blanpain C,Fuchs E.Epidermal homeostasis:a balancing act of stem cells in the skin[J].Nat Rev Mol CellBiol,2009,10(3):207-217.

[9]劉虎仙,陶百江,賈赤宇,等.機械應力條件下表皮干細胞的動力學變化[J].中華燒傷雜志,2008,24(1):39-41.

[10]Inoue K,Aoi N,Sato T,et al.Differential expression of stemcell-associated markers in human hair follicle epithelial cells[J]. Lab Invest,2009,89(8):844-856.

[11]Melis P,Noorlander ML,Vander CM,et al.Rapid alignment of collagen fibers in the dermis of undermined and not undermined skin stretched with a skin-stretching device[J].Plast Reconstr Surg,2002,109(2):674-682.

[12]De Filippo RE,Atala A.Stretch and growth:the molecular and physiologic influences of tissue expansion[J].Plast Reconstr Surg, 2002,109(7):2450-2462.

[13]施文斌,董玉英,董福生,等.不同擴張方式對擴張皮膚膠原纖維和肌動蛋白的影響[J].實用口腔醫(yī)學雜志,2010,26(1):38-42.

[14]Bosch U,Zeichen J,Skutek M,et al.Effect of cyclical stretch on matrix synthesis of human patellar tendon cells[J].Unfallchirurg, 2002,105(5):437-442.

[15]范志宏,張滌生.皮膚軟組織快速擴張的實驗研究[J].中華整形燒傷外科雜志,1995,11(5):375-378.

[16]Neidlinger-Wilke C,Grood E,Claes L,etal.Fibroblast orientation to stretch begins within three hours[J].J Orthop Res,2002,20(5): 953-956.

[17]付思祺,范金財,焦虎,等.不同牽拉方式對成纖維細胞增殖影響的研究[J].中國美容整形外科雜志,2013,24(7):414-418.

[18]Jaalouk DE,Lammerding J.Mechanotransduction gone awry[J]. Nat Rev Mol Cell Biol,2009,10(1):63-73.

[19]Wong VW,Akaishi S,Longaker MT,et al.Pushing back:wound mechanotransduction in repair and regeneration[J].J Invest Dermatol,131(11):2186-2196.

[20]Zollner AM,Holland MA,Honda KS,et al.Growth on demand: reviewing the mechanobiology of stretched skin[J].J Mech Behav of Biomed Mater,2013,28:495-509.

[21]Lee Y,Gil MS,Hong JJ.Histomorphologic changes ofhair follicles in human expanded scalp[J].Plast Reconstr Surg,2000,105(7): 2361-2365.

[22]李江,魯開化,艾玉峰,等.擴張囊外纖維包膜的組織學結構及其意義[J].中華醫(yī)學美學美容雜志,2001,7(4):191-193.

[23]Pasyk KA,Argenta LC,Austad ED.Histopathology of human expanded tissue[J].Clin Plast Surg,1987,14(3):435-445.

[24]Bhora FY,Dunkin BJ,Batzri S,et al.Effect of growth factors on cell proliferation and epithelialization in human skin[J].J Surg Res,1995,59(2):236-244.

[25]劉學軍,張海明,孫廣慈.擴張皮膚中b-FGF與EGF的含量與擴張量的關系[J].中華整形外科雜志,2004,5(20):228-230.

[26]Zheng W,Seftor EA,Meininger CJ,et al.Mechanisms of coronary angiogenesis in response to stretch:role of VEGF and TGF-beta [J].Am J Physiol Heart Circ Physiol,2001,280(2):909-917.

[27]Schaerli P,Willimann K,Lang AB,etal.CXC chemokine receptor 5 expression defines follicular homing T cells with B cell helper function[J].J Exp Med,2000,192(11):1553-1562.

[28]Zhou SB,Wang J,Chang CA,et al.Mechanical stretch upregulates SDF-1αin skin tissue and induces migration of circulating bone marrow-derived stem cells into the expanded skin[J].Stem Cells, 2013,8:2703-2713.

[29]Haga JH,Li YS,Chien S.Molecular basis ofthe effects of mechanical stretch on vascular smooth muscle cells[J].J Biomech,2007,40(5): 947-960.

[30]Lim CS,Qiao X,Reslan OM,et al.Prolonged mechanical stretch is associated with upregulation of hypoxia-inducible factors and reduced contraction in rat inferior vena cava[J].J Vasc Surg, 2011,53(3):764-773.

[31]Milkiewicz M,Doyle JL,Fudalewski T,et al.HIF-1alpha and HIF-2alpha play a central role in stretch-induced but not shearstress-induced angiogenesis in rat skeletal muscle[J].J Physiol, 2007,583(2):753-766.

[32]Petersen W,Varoga D,Zantop T,et al.Cyclic strain influences the expression of the vascular endothelial growth factor(VEGF) and the hypoxia inducible factor 1 alpha(HIF-1alpha)in tendon fibroblasts[J].J Orthop Res,2004,22(4):847-853.

[33]劉宏偉,程飚,余文林,等.血管緊張素Ⅱ受體在人擴張皮膚中的表達及意義[J].中國美容醫(yī)學,2006,15(5):489-492.

[34]付思祺,范金財,焦虎,等.組織擴張與機械牽拉對皮膚組織表達硫氧還蛋白影響的初步研究[J].組織工程與重建外科,2013,9 (1):14-17.

[35]Villarreal FJ,Dillmann W.Cardiac hypertrophy-induced changes in mRNA levels for TGF-beta1,fibronectin and collagen[J].Am J Physiol,1992,262(6):1861-1866.

[36]Gurantz D,Cowling RT,Villarreal FJ,et al.Tumor necrosis factoralpha upregulates angiotensinⅡtype 1 receptors in cardiac fibroblasts[J].Circ Res,1999,85(3):272-279.

Changes of Histomorphology and Cytokines after Tissue Expansion

SONG Xiaodong,LV Changsheng.
The Seventh Department,Plastic Surgery Hospital,Peking Union Medical College&Chinese Academy of Medical Science,Beijing 100144,China.Corresponding author:LV Changsheng(E-mail:changsheng331@yahoo.com.cn).

【Summary】The course of soft tissue expansion is mainly about a series changes of histomorphology and cytokines under mechanical stress,and it provides research foundation of rapid tissue expansion.In this paper,the chages of histomorphology and cytokines after tissue expansion were reviewed.

Soft tissue expansion;Mechanical stress;Histomorphology;Cytokine

R622

B

1673－0364（2015）01－0058－03

10.3969/j.issn.1673-0364.2015.01.018

2014年7月23日；

2014年9月6日）

100144北京市北京協(xié)和醫(yī)學院中國醫(yī)學科學院整形外科醫(yī)院整形七科。

呂長勝（E-mail：changsheng331@yahoo.com.cn）。