整合素在皮膚創傷修復中的作用

楊少偉，孫曉艷，付小兵

1解放軍總醫院，北京 100853；2解放軍總醫院第一附屬醫院 全軍創傷修復與組織再生重點實驗室暨皮膚損傷修復與組織再生北京市重點實驗室，北京 100048

整合素在皮膚創傷修復中的作用

楊少偉1,2，孫曉艷1,2，付小兵1,2

1解放軍總醫院，北京 100853；2解放軍總醫院第一附屬醫院 全軍創傷修復與組織再生重點實驗室暨皮膚損傷修復與組織再生北京市重點實驗室，北京 100048

皮膚是機體抵御外界環境中物理、化學傷害的第一道屏障，其依賴于表皮干細胞的增殖和分化而不斷自我更新。整合素是一類細胞黏附受體，其調控細胞-細胞外基質反應，連接細胞外環境與細胞內信號通路，廣泛參與增殖、分化和生存等細胞基本活動。本文就整合素分子在調控表皮干細胞的黏附、遷移、信號轉導研究進展作一綜述，從而為實現皮膚創傷的完美修復提供新的視角。

整合素；基底膜；表皮干細胞；創傷修復

作為人體最大的器官，皮膚是機體免受物理、化學、病原微生物等外界環境傷害的第一道屏障，在維持體溫、防止水分丟失等方面起重要作用。其主要通過表皮干細胞(epidermal stem cells，ESCs)的增殖和分化來維持自我更新[1-2]。其中，表皮基底層干細胞主要通過整合素分子實現對基底膜(basement membrane，BM)各種細胞外基質組分的黏附，維持其生物學特性。整合素是細胞黏附分子家族的重要成員之一，廣泛表達于細胞表面。是由α和β亞基以非共價鍵連接形成的異源二聚體跨膜蛋白。已經發現18種α亞基和8種β亞基，它們可以形成24種有功能的異二聚體。按照亞基構成的不同，主要分為含αv亞基整合素、含β1亞基整合素、α6β4整合素3大類[3-4]。在皮膚中，當ESCs周圍微環境發生改變時，整合素的功能和表達水平改變，其介導的細胞黏附作用降低，使基底層干細胞增殖分化，并不斷外移形成棘細胞層、顆粒層等其他各層的終末分化細胞，完成其定向分化進程[5-6]。因此，整合素通過調節ESCs的活性狀態，從而維持皮膚的正常結構和功能，同時參與皮膚創傷后的修復過程。

1 整合素參與細胞的黏附、增殖、分化和遷移

超微結構顯示，在BM的基底角質細胞漿膜層和透明板之間，表皮基底層細胞表面存在一層電子致密帶，即半橋粒。它由α6β4整合素、網格蛋白、CD151、大皰性類天皰瘡(bullous pemphigoid，BP)抗原組成，主要參與基底層細胞的生物活動。在半橋粒中，α6β4整合素、BP抗原和層黏連蛋白-332(laminin，Ln)結合后，進一步與角蛋白-5和角蛋白14相互作用，從而穩定細胞間的黏附活動[7-8]。其中，整合素主要通過α6亞基的胞外域與BP抗原、四旋蛋白相互作用。實驗表明，α6β4整合素介導的基底黏附主要是通過與Ln-332結合，進一步促進錨定原纖維與Ln-332穩定結合來實現的[9]。因此，α6β4整合素對于基底層角質細胞對BM的黏附穩定性至關重要[10]。此外，整合素α2β1也是角質細胞黏附于膠原的必要分子[3]。

此外，整合素還調控角質細胞的增殖和分化，不同種類的整合素在功能上存在差異。研究證實，含β1亞基和α6β4整合素在增殖狀態的基底層細胞表達上調，而不參與基底上層細胞的分化[9,11]；而αvβ8整合素只在上基底層表達，其可能抑制角質細胞增殖而促進分化[4,12]。體外實驗中，含β1亞基整合素的β1亞基缺失可以促進角質細胞分化，但是體內實驗沒有得出相同結果，這可能與細胞間的黏附以及α6β4整合素介導的基底膜黏附活動有關[13-14]。與α6β4整合素缺失引起的皮膚表-真皮連接處病變程度相比，β1亞基缺失引起的病變相對較輕[14-15]，這表明α6β4整合素接到的細胞基底膜黏附活動對于皮膚維持正常生理結構和生物功能至關重要。

除了與BM相互結合發揮作用外，整合素對于BM本身的結構完整也非常重要。在含β1亞基整合素中，當β1亞基基因突變時，病理上顯示BM組織結構異常，這提示整合素可能參與BM的結構發育；在小鼠發生此突變時可導致早期胚胎的死亡[13-14]。這些研究表明，整合素廣泛參與表皮基底角質細胞增殖、分化、凋亡、炎癥反應等活動。

2 整合素參與維持ESCs的生物學特性

表皮的自我更新主要依賴于ESCs，其主要位于毛囊隆突部、皮脂腺和濾泡間上皮[16-17]。其中只有毛囊隆突部的干細胞具有多向分化潛能，可分化成為皮膚各部位的終末組織細胞，但是正常情況下其不參與表皮穩態維持，而主要由濾泡間上皮處的干細胞來調節[18]。

ESCs具有強大的分化潛能，其分裂后的子代細胞，一部分不分化而維持干細胞庫的穩定，另一部分分化形成具有增殖能力的短暫增殖細胞(transit-amplifying cells，TACs)并不斷分化。ESCs分子標記主要有CD34、CK15、CK19、Lgr5、Lgr6等[17,19-20]。相對于TACs亞群，ESCs內α2β1、α3β1和α6β4整合素的表達水平明顯上調，因此，在體外可以借助二者的黏附能力來區分這兩種細胞亞群，同時整合素分子也可作為ESCs的一種標記分子[21-23]。此外，轉錄水平上調節進一步證實了整合素對于ESCs“干性”的調控作用。已經證實C-myc基因能夠促進細胞不斷增殖，而在皮膚中，激活C-myc還可以誘導ESCs的活化，并分化成為皮脂腺和IFE組織來源的細胞[24-25]。其內在機制可能是通過下調β1類和α6β4整合素的表達使表皮細胞對基底層去黏附，同時抑制參與黏附和細胞骨架構成相關蛋白合成來實現的[26]。

含β1整合素通過胞外信號調節激酶(extracellular regulated kinase，ERK)/絲裂原活化蛋白激酶(mitogenactivated protein kinase，MAPK)信號通路調節細胞極性蛋白復合物的分布，進而牽拉紡錘體有序排列，從而完成表皮組織結構的正常有序發育[27]。這種不對稱的有絲分裂方式對干細胞命運轉歸具有重要意義[28-29]。此外，轉錄因子p51/p63也可能是通過調節整合素的表達，而參與皮膚的正常發育和ESCs特性的維持[30]。由此可見，整合素介導的與ECM的黏附活動通過改變ESCs生存的微環境而影響其生物學功能。

3 整合素相關的信號轉導通路

由于其特殊的跨膜結構，整合素參與多種胞內、胞外信號轉導的調節[6]。整合素與相應配體結合后，通過磷脂酰肌醇-3-羥激酶(phosphatidylinositol-3OH kinase，PI3K/ AKT)和MAPK通路，調節角質細胞間、細胞和BM的黏附活動[31-32]。這些反應活動主要以黏著斑(focal adhesion，FA)為信號平臺，通過黏著斑激酶(focal adhesion kinase，FAK)促進含β1整合素與細胞骨架蛋白的物理連接，調節FA結構進而啟動信號通路[33]。另外，整合素還通過參與Ras相似物GTP酶(ras homologue GTPases，Rho GTPases)通路調節細胞骨架蛋白，改變角質細胞的自身狀態，影響其黏附和遷移[34-35]。

除了直接參與信號通路外，整合素還可以通過與調節受體絡氨酸激酶(receptor tyrosine kinases，RTKs)、ERK、MAPK等通路上某些分子的交互作用，影響多種細胞因子的表達，比如表皮生長因子(epidermal growth factor，EGF)、成纖維生長因子(fibroblast growth factor，FGF)、肝細胞生長因子(hepatocyte growth factor，HGF)、角化細胞生長因子(keratinocyte growth factor，KGF)、轉化生長因子α(transforming growth factor-α，TGF-α)和TGF-β等，進而調節角質細胞的增殖、分化、遷移以及細胞外基質和BM結構變化，調節表皮內環境的穩定[36-41]。由此可見，整合素以直接或間接形式參與多種信號通路，構成復雜的調控網絡，進而調節皮膚組織結構的發育和生物活動的實現。

4 整合素在創傷修復過程中的作用

皮膚創傷修復過程主要分為3個階段，炎癥應答期、結構重塑期和再上皮化[1,42-43]。為了迅速而有效地完成修復過程，需要多種細胞的參與。創傷時，受損處的血管內的細胞因子誘導巨噬細胞、中性粒細胞等遷移，激活炎癥反應。這些炎癥細胞釋放炎癥因子，促使成纖維細胞和血管內皮細胞分泌合成ECM、生成毛細血管、形成肉芽組織[44]。而成纖維細胞向肌成纖維細胞分化，使得傷口收縮，加速愈合進程。接下來，再上皮化形成新的表皮完成組織結構和功能修復。再上皮化過程中，涉及角質細胞的增殖和遷移。輕度創傷基底膜完整時，傷口周圍的ESCs表達含β1亞基整合素，與基底膜配體相互作用，從而介導ESCs黏附、增殖、分化、遷移，成為成熟的角質細胞；同時，通過調節基底角質細胞有絲分裂的方向而實現細胞的有序分裂，促進皮膚的組織結構正常修復[16]。重度創傷時，基底膜受損，真皮深層的成纖維細胞表達整合素與ECM相互作用，激活α-平滑肌蛋白(α-smooth muscle actin，α-SMA)，引起機械牽拉，促進傷口縮小[45]。此外，TGF-β激活成纖維細胞合成ECM蛋白，與傷口周圍ESCs表達的整合素相互作用，共同構建新的基底膜結構，以加快創傷愈合，實現組織結構的重塑[41]。

體外實驗表明，角質細胞遷移分為4步：細胞形成偽足并深入創面；整合素介導的細胞黏附穩定這些偽足；細胞體的轉入；去黏附和肌凝蛋白作用引起細胞收縮[46]。含β1亞基整合素缺失會引起角質細胞的遷移受損并影響增殖活動，從而延遲修復[15]。此外還有多種整合素分子參與創傷時角質細胞的遷移[47]。而不同整合素在創傷時的作用存在爭議，比較明確的是整合素α3β1的α3亞基可以通過干預創傷時的血管生成來影響修復過程[48-50]。此外，創傷應激時，整合素還可以通過調節ECM的變化和BM的構建，改變ESCs的微環境，激活ESCs增殖、分化，調節干細胞的有序分裂，修復受損組織[16,51]。這些研究表明，創傷修復中，整合素介導的細胞-基質黏附活動，改變成纖維細胞和ESCs的微環境，調節細胞的增殖、分化、遷移和凋亡，在實現皮膚正常組織結構和基本生理功能的雙重修復中發揮重要作用。

5 展望

在皮膚中，整合素不僅介導表皮角質細胞的黏附、增殖、分化、BM的形成，并參與細胞-基質活動調控ESCs“干性”，參與創傷修復過程。盡管如此，仍然有許多問題亟待解決，如不同整合素及其相關分子作用的差異性還需要深入研究；大多數關于整合素的研究是基于動物實驗和單基因水平，而人體皮膚構成和功能具有其特殊性，因此得出結論還需要在復雜的人體生理條件下進行臨床驗證；許多細胞因子參與皮膚創傷修復，那么整合素參與調控這些細胞因子作用的信號通路中關鍵分子有哪些？對這些問題的解決，不僅會進一步明確整合素在皮膚穩態、干細胞特性、創傷修復等活動中的作用及相關分子機制，也會促進有關整合素的基礎研究向臨床應用轉化，從而為臨床相關疾病的診治提供新的視角和途徑。

1 Evans ND， Oreffo RO， Healy EA， et al. Epithelial mechanobiology，skin wound healing， and the stem cell niche［J］. J Mech Behav Biomed Mater， 2013， 28（SI）： 397-409.

2 Elias PM. Structure and function of the stratum corneum extracellular matrix［J］. J Invest Dermatol， 2012， 132（9）： 2131-2133.

3 Zhang ZG， Bothe I， Hirche F， et al. Interactions of primary fibroblasts and keratinocytes with extracellular matrix proteins：contribution of alpha（2）beta（1） integrin［J］. J Cell Sci， 2006，119（9）： 1886-1895.

4 Araya J， Cambier S， Morris A， et al. Integrin-mediated transforming growth factor-beta activation regulates homeostasis of the pulmonary epithelial-mesenchymal trophic unit［J］. Am J Pathol， 2006， 169（2）：405-415.

5 Hegde S， Raghavan S. A skin-depth analysis of integrins： role of the integrin network in health and disease［J］. Cell Commun Adhes，2013， 20（6）： 155-169.

6 Eckes B， Krieg T， Wickstroem SA. Role of integrin signalling through integrin-linked kinase in skin physiology and pathology［J］. Exp Dermatol， 2014， 23（7）： 453-456.

7 Litjens SH， De Pereda JM， Sonnenberg A. Current insights into the formation and breakdown of hemidesmosomes［J］. Trends Cell Biol，2006， 16（7）：376-383.

8 Margadant C， Frijns E， Wilhelmsen KA. Regulation of hemidesmosome disassembly by growth factor receptors［J］. Curr Opin Cell Biol， 2008， 20（5）： 589-596.

9 Raymond K， Kreft M， Janssen H， et al. Keratinocytes display normal proliferation， survival and differentiation in conditional beta4-integrin knockout mice［J］. J Cell Sci， 2005， 118（Pt 5）：1045-1060.

10 Kobune K， Miura T， Sato T， et al. Influence of plasma and ultraviolet treatment of zirconia on initial attachment of human oral keratinocytes： Expressions of laminin gamma（2） and integrin beta（4）［J］. Dent Mater J， 2014， 33（5）： 696-704.

11 Rodius S， Indra G， Thibault C， et al. Loss of alpha6 integrins in keratinocytes leads to an increase in TGFbeta and AP1 signaling and in expression of differentiation genes［J］. J Cell Physiol， 2007， 212（2）：439-449.

12 Neurohr C， Nishimura SL， Sheppard D. Activation of transforming growth factor-beta by the integrin alphavbeta8 delays epithelial wound closure［J］. Am J Respir Cell Mol Biol， 2006， 35（2）：252-259.

13 Raghavan S， Bauer C， Mundschau G， et al. Conditional ablation of beta1 integrin in skin. Severe defects in epidermal proliferation，basement membrane formation， and hair follicle invagination［J］. J Cell Biol， 2000， 150（5）：1149-1160.

14 Brakebusch C， Grose R， Quondamatteo F， et al. Skin and hair follicle integrity is crucially dependent on beta 1 integrin expression on keratinocytes［J］. EMBO J， 2000， 19（15）：3990-4003.

15 Grose R， Hutter C， Bloch W， et al. A crucial role of beta 1 integrins for keratinocyte migration in vitro and during cutaneous wound repair［J］. Development， 2002， 129（9）： 2303-2315.

16 Sun X， Fu X， Han W， et al. Epidermal stem cells： an update on their potential in regenerative medicine［J］. Expert Opin Biol Ther，2013， 13（6）：901-910.

17 Blanpain C， Fuchs E. Epidermal stem cells of the skin［J］. Annu Rev Cell Dev Biol， 2006， 22：339-373.

18 Ito M， Liu Y， Yang Z， et al. Stem cells in the hair follicle bulge contribute to wound repair but not to homeostasis of the epidermis［J］. Nat Med， 2005， 11（12）：1351-1354.

19 Snippert HJ， Haegebarth A， Kasper M， et al. Lgr6 marks stem cells in the hair follicle that generate all cell lineages of the skin［J］. Science， 2010， 327（5971）：1385-1389.

20 Jaks V， Barker N， Kasper M， et al. Lgr5 marks cycling， yet longlived， hair follicle stem cells［J］. Nat Genet， 2008， 40（11）：1291-1299.

21 Akiyama M， Smith LT， Shimizu H. Changing patterns of localization of putative stem cells in developing human hair follicles［J］. J Invest Dermatol， 2000， 114（2）：321-327.

22 Kaur P， Li A. Adhesive properties of human basal epidermal cells：an analysis of keratinocyte stem cells， transit amplifying cells， and postmitotic differentiating cells［J］. J Invest Dermatol， 2000， 114（3）：413-420.

23 Piwko-Czuchra A， Koegel H， Meyer H， et al. Beta1 integrinmediated adhesion signalling is essential for epidermal progenitor cell expansion［J］. PLoS One， 2009， 4（5）：e5488.

24 Frye M， Gardner C， Li E， et al. Evidence that Myc activation depletes the epidermal stem cell compartment by modulating adhesive interactions with the local microenvironment［J］. Development，2003， 130（12）： 2793-2808.

25 Waikel RL， Kawachi Y， Waikel PA， et al. Deregulated expression of c-Myc depletes epidermal stem cells［J］. Nat Genet， 2001， 28（2）：165-168.

26 Gebhardt A， Frye M， Herold S， Benitah SA， et al. Myc regulates keratinocyte adhesion and differentiation via complex formation with Miz1［J］. J Cell Biol， 2006， 172（1）：139-149.

27 Lechler T， Fuchs E. Asymmetric cell divisions promote stratification and differentiation of mammalian skin［J］. Nature， 2005， 437（756）：275-280.

28 Watt FM， Jensen KB. Epidermal stem cell diversity and quiescence［J］. EMBO Mol Med， 2009， 1（5）： 260-267.

29 Spradling A， Drummond-Barbosa D， Kai T. Stem cells find their niche［J］. Nature， 2001， 414（6859）：98-104.

30 Okuyama R， Ogawa E， Nagoshi H， et al. p53 homologue， p51/p63，maintains the immaturity of keratinocyte stem cells by inhibiting notch1 activity［J］. Oncogene， 2007， 26（31）： 4478-4488.

31 Zaidel-Bar R， Itzkovitz S， Ma’ayan A， et al. Functional Atlas of the integrin adhesome［J］. Nat Cell Biol， 2007， 9（8）： 858-868.

32 Legate KR， Wickstr?m SA， F?ssler R. Genetic and cell biological analysis of integrin outside-in signaling［J］. Genes Dev， 2009， 23（4）： 397-418.

33 Ili? D， Furuta Y， Kanazawa S， et al. Reduced cell motility and enhanced focal adhesion contact formation in cells from FAK-deficient mice［J］. Nature， 1995， 377（6549）：539-544.

34 Del Pozo MA， Alderson NB， Kiosses WB， et al. Integrins regulate Rac targeting by internalization of membrane domains［J］. Science，2004， 303（5659）：839-842.

35 Price LS， Langeslag M， Ten Klooster JP， et al. Calcium signaling regulates translocation and activation of Rac［J］. J Biol Chem，2003， 278（41）： 39413-39421.

36 Iwata Y， Akamatsu H， Hasegawa S， et al. The epidermal Integrin beta-1 and p75NTR positive cells proliferating and migrating during wound healing produce various growth factors， while the expression of p75NTR is decreased in patients with chronic skin ulcers［J］. J Dermatol Sci， 2013， 71（2）：122-129.

37 Dumesic PA， Scholl FA， Barragan DI. Erk1/2 MAP kinases are required for epidermal G2/M progression［J］. J Cell Biol， 2009，185（3）： 409-422.

38 Scholl FA， Dumesic PA， Barragan DI， et al. Mek1/2 MAPK kinases are essential for Mammalian development， homeostasis， and Rafinduced hyperplasia［J］. Dev Cell， 2007， 12（4）：615-629.

39 Pankow S， Bamberger C， Klippel A， et al. Regulation of epidermal homeostasis and repair by phosphoinositide 3-kinase［J］. J Cell Sci， 2006， 119（19）： 4033-4046.

40 Murayama K， Kimura T， Tarutani M， et al. Akt activation induces epidermal hyperplasia and proliferation of epidermal progenitors［J］. Oncogene， 2007， 26（33）： 4882-4888.

41 Margadant C， Sonnenberg A. Integrin-TGF-beta crosstalk in fibrosis，cancer and wound healing［J］. EMBO Rep， 2010， 11（2）：97-105.

42 付小兵. 創面治療中的轉化醫學：部分成果的研發和轉化應用與思考［J］. 中華燒傷雜志， 2014， 30（1）： 3-5.

43 Kasuya A， Tokura Y. Attempts to accelerate wound healing［J］. J Dermatol Sci， 2014， 76（3）：169-172.

44 Werner S， Grose R. Regulation of wound healing by growth factors and cytokines［J］. Physiol Rev， 2003， 83（3）： 835-870.

45 Moissoglu K， Schwartz MA. Integrin signalling in directed cell migration［J］. Biol Cell， 2006， 98（9）：547-555.

46 Ridley AJ， Schwartz MA， Burridge K， et al. Cell migration：Integrating signals from front to back［J］. Science， 2003， 302（5651）：1704-1709.

47 Margadant C， Charafeddine RA， Sonnenberg A. Unique and redundant functions of integrins in the epidermis［J］. FASEB J，2010， 24（11）：4133-4152.

48 Margadant C， Raymond K， Kreft M， et al. Integrin alpha3beta1 inhibits directional migration and wound re-epithelialization in the skin［J］. J Cell Sci， 2009， 122（Pt 2）：278-288.

49 Mitchell K， Szekeres C， Milano V， et al. Alpha3beta1 integrin in epidermis promotes wound angiogenesis and keratinocyte-toendothelial-cell crosstalk through the induction of MRP3［J］. J Cell Sci， 2009， 122（Pt 11）：1778-1787.

50 Sachs N， Secades P， Van Hulst L， et al. Loss of integrin alpha 3 prevents skin tumor formation by promoting epidermal turnover and depletion of slow-cycling cells［J］. Proc Natl Acad Sci U S A，2012， 109（52）： 21468-21473.

51 Nakrieko KA， Rudkouskaya A， Irvine TS， et al. Targeted inactivation of integrin-linked kinase in hair follicle stem cells reveals an important modulatory role in skin repair after injury［J］. Mol Biol Cell， 2011， 22（14）：2532-2540.

Role of integrin in skin wound healing

YANG Shaowei1,2, SUN Xiaoyan1,2, FU Xiaobing1,2
1Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China;2Key Laboratory of Wound Healing and Tissue Regeneration, the First Affiliated Hospital of Chinese PLA General Hospital, Beijing 100048, China

FU Xiaobing. Email: fuxiaobing@vip.sina.com

Skin provides both a physical and a chemical barrier against the outside world, and keeps self-renewal through the proliferation and differentiation of epithermal stem cells. As one of the adhesion receptors, integrin mediates cell-ECM interactions and provides essential links between extracellular environment and intracellular signal pathways that play roles in many cell activities, such as proliferation, differentiation, and survival. In this article, the research progress of integrin in regulating adhesion, migration and signal transduction of epidermal stem cells, will be reviewed to expand new insights for completing the perfect skin wound healing.

integrin; basilar membrane; epidermal stem cells; wound healing

R 641

A

2095-5227(2015)06-0628-04

10.3969/j.issn.2095-5227.2015.06.029

時間：2015-03-16 11:21

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20150316.1121.003.html

2014-12-17

國家“973”重點基礎研究發展項目(2012CB518105)；國家自然科學基金項目(81372067)；北京市科技新星項目(2008B53；2009A38)

Supported by National “973” Program for Basic Research of China(2012C B518105); National Natural Science Foundation of China(81372067)

楊少偉，男，在讀博士，醫師。研究方向：創傷修復與組織再生。Email: shaowyang@163.com

付小兵，男，中國工程院院士，博士生導師。Email: fuxiaobing@vip.sina.com