機械應力對皮膚細胞生物學特性的影響

譚　芹　彭琬蘇　譚　城

·綜述·

機械應力對皮膚細胞生物學特性的影響

譚芹彭琬蘇譚城

皮膚含角質形成細胞、真皮成纖維細胞、黑素細胞等，機械應力作用可影響細胞形態、增殖、分化、遷移、內分泌等。該作用受機械應力種類、大小及時間長短和效應細胞所處細胞外基質等微環境的影響。機械應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程。

機械應力； 角質形成細胞； 皮膚成纖維細胞； 黑素細胞

細胞能感受機械應力，以細胞骨架、離子通道、細胞外基質等作為最主要感受器及傳導器，將其轉化為級聯生物分子反應。受機械應力影響，細胞骨架變構，細胞膜上包括整合素在內的多種膜蛋白將重新構象，并且在其功能發生相應改變后將胞外物理信號轉入胞內，級聯激活下游生物學信號通路：鈣依賴信號通路（calcium dependent Pathways）、一氧化氮（NO）信號通路、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs）、G蛋白Rho（Rho GTPases）和磷酯酰肌醇3-激酶（phosphoinositol-3-kinase，P13K）等［1，2］。機械應力在細胞膜相位能調節鈣離子通道、瞬時受體電位（Transient receptor potential，TRP）通道、連接蛋白和Piezos蛋白等多種機械敏感離子通道開闔，進一步調節第二信使分子-Ca2+等離子在胞內濃度，進而間接調節多種關鍵酶活性［3］。此外機械應力效應細胞所處細胞外基質等微環境也影響此作用，參與細胞黏附的分子如生長因子受體、β-連接蛋白和Yes關聯蛋白（Yes-associated protein，YAP）等都參與機械應力感受及傳導。

周期性應力、剪切力、牽拉力、壓力、膨脹擴張等機械應力刺激影響多種細胞增殖、分化、細胞形態和遷移。目前機械應力對上述作用研究主要集中在內皮細胞、平滑肌細胞和成骨細胞。皮膚含角質形成細胞、皮膚成纖維細胞、黑素細胞等，因處人身最外而易受機械應力作用。且臨床上機械應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程。本文就機械應力對皮膚中角質形成細胞等生物學特征的影響綜述如下。

1　機械應力與角質形成細胞

角質形成細胞（keratinocyte，KC）是表皮中最主要的細胞之一，也是皮膚發揮物理屏障功能細胞基礎。機械應力可影響其增殖、分化、遷移、細胞形態和自分泌等功能，且不同種類機械應力所影響功能的種類及程度也不盡相同。Yano等［4］以20%（硅膠長度延長20%）牽拉力持續性牽拉可調節硅膠器皿中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/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牽拉組。但Nishimura等發現，高頻率持續性牽拉（10轉/min，10%）促KC增殖，而間歇性牽拉（每牽拉5min間隔2 min，10%）48 h后，其增殖率開始下降［6］。機械牽拉影響KC增殖、分化受絲裂原活化蛋白激酶（mitogenactivated protein kinases，MAPKs）信號調節。機械牽拉最終能磷酸化KC內細胞外信號調節激酶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）或應激活化蛋白激酶（stress-activated protein kinase，SAPK），1h后達峰，然后激活轉錄激活因子1（transcription activitor，AP-1）發揮調節KC增殖、分化［4，7］。

機械應力還能影響KC遷移。Lu等機械牽拉（20%，48 h）KC發現，KC沿牽拉力橫軸方向遷移，兩側遷移不對稱，含成纖維細胞基質組遷移力增強? Boyden小室遷移實驗結果表明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），無纖維細胞基質組遷移力低下。這表明：成纖維細胞所分泌的I型膠原具有協同促進機械牽拉促KC趨化運動作用。機械應力也影響KC形態，其外形長軸與機械應力力矩方向一致［8］。KC主要合成I型和II型角蛋白。受機械應力刺激，KC在上調激活標記物角蛋白6（K6）表達同時抑制KC分化標記性角蛋白10（K10）的表達。白介素-1（IL-1）是免疫應答主要調節分子之一，在表皮內主要由KC分泌。Takei及Lee等團隊發現，大于10%的周期性牽拉KC后，IL-1α或/和IL-1β表達升高［9，10］。Kurita等研究表明內皮素-1（ET-1）在周期性應力刺激下（10%，60轉/分，24 h）其表達明顯增強，這可能與摩擦后間接誘發色素沉著有關［8］。

2　機械應力與皮膚成纖維細胞

皮膚成纖維細胞（fibroblast，FB）是真皮主要細胞組份，通過所分泌的無定形基質、多種細胞因子對皮膚起營養、支持及免疫調節作用。與KC一樣，皮膚FB受機械應力刺激后也發生細胞形態重構。

張歌等［11］對原代培養皮膚FB持續48 h施力拉伸30%后，其細胞數明顯高于未牽拉組，流式細胞儀檢測結果示，施力組進入S期細胞數明顯高于未牽拉組。舒國茂等［12，13］以單次40%持續牽拉皮膚FB后，細胞增殖細胞核抗原（PCNA）表達增強，且處S期FB細胞率增高，表明持續牽拉能促進FB增殖。機械應力能促使皮膚FB以自分泌bFGF、TGFβ1方式促進自身增殖。α平滑肌激動蛋白是皮膚FB分化為肌成纖維細胞的過程中標志性分子。Rolin等［14］機械牽拉（10%，1 Hz）皮膚FB 24 h后，α平滑肌激動蛋白表達明顯增高，表明機械牽拉能促使皮膚FB分化為肌成纖維細胞。Huang等［15］以周期性應力（10轉/min，24 h）干預皮膚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，遷移距離明顯遠于對照組，表明機械應力能促進皮膚FB遷移。

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

合成細胞外基質是FB的主要生理功能。Rolin等以延長度為10%，頻率為1 Hz參數機械牽拉皮膚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，故機械牽拉與MMP活性密切相關。機械牽拉能上調皮膚FB I型膠原mRNA表達［17］。此外，機械應力還可促進皮膚FB以自分泌或旁分泌bFGF、TGFβ1途徑，參與細胞外基質相關生理及病理反應［12］。

3　機械應力與黑素細胞

機械應力對黑素細胞（melanocyte，MC）功能影響的研究較少。機械牽拉雖然可以引起MC增殖，但其促增殖作用不如對KC影響顯著［5，7，18］。Kippenberger等［18］周期性機械牽拉（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，他們因此認為HSP90表達增強與機械牽拉所致促MC增殖作用密切相關。由于機械牽拉促進黑素細胞增殖過程，常伴有ERK1/ 2和SAPK/JNK信號分子的激活，所以他們推測MAPK信號通路的激活是機械牽拉促MC增殖的關鍵信號通路之一［7］。目前，體外實驗表明機械應力能促進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黑素合成酶蛋白的表達增加。這可能是皮膚擴張器所致局部色素沉著的主要原因之一［19］。

角質形成細胞、皮膚成纖維細胞和黑素細胞受機械應力作用產生不同的生物學功能改變，除了所受機械應力種類、大小和作用時間外，機械應力效應細胞所處細胞外基質等微環境也影響此作用。該領域研究成果將為合理闡述皮膚擴張、創傷修復、疤痕增生、色素沉著等病理生理過程及相應臨床難點突破奠定良好的理論及應用基礎。

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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

國家自然科學基金（編號：81173400）

南京中醫藥大學附屬醫院，南京，210029

譚城，E-mail：tancheng@medmail.com.cn