膠原蛋白碎片對光老化真皮細(xì)胞外基質(zhì)的影響

盧勇舟， 陳 亮， 畢 波， 劉天一

綜 述

膠原蛋白碎片對光老化真皮細(xì)胞外基質(zhì)的影響

盧勇舟， 陳 亮， 畢 波， 劉天一

光老化； 膠原蛋白碎片； 細(xì)胞外基質(zhì)

真皮細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix, ECM)賦予了皮膚一定的強(qiáng)度和彈性。ECM主要是由成纖維細(xì)胞產(chǎn)生的Ⅰ型膠原蛋白纖維組成，Ⅰ型膠原蛋白是真皮中含量最充足的結(jié)構(gòu)蛋白[1]。在紫外線(ultraviolet, UV)照射下，ECM中會產(chǎn)生基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMPs)，它們可以分解膠原蛋白纖維和ECM中其他組成成分[2]。年輕人皮膚的真皮ECM是由長的、完整的、緊密結(jié)合的膠原纖維束組成；相反，光老化和年老的皮膚真皮ECM中的膠原纖維是稀疏的、破碎的、紊亂的[3]。膠原蛋白碎片(collagen fragments, CF)是光老化皮膚真皮ECM中的一種特征性表現(xiàn)。研究表明，在Ⅰ型膠原蛋白三維格狀結(jié)構(gòu)中加入MMP-1后培養(yǎng)，其超微結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)與光老化ECM中的膠原蛋白相同[4]。年輕人皮膚中的MMP-1含量極少，而在光老化和年老皮膚中MMP-1含量很高。MMP-1在光老化皮膚真皮ECM中產(chǎn)生CF起到主要的作用( GJ Fisher, 1997年)。大量研究表明，成纖維細(xì)胞和ECM之間相互黏附，相互作用，從而影響細(xì)胞的功能；而膠原蛋白結(jié)構(gòu)的完整性是保證這一作用的基礎(chǔ)[5-7]。下面筆者主要闡述CF對光老化真皮ECM的影響。

1 光老化與膠原蛋白的降解

1.1 自然狀態(tài)下膠原蛋白的分解 Ⅰ型膠原蛋白在自然狀態(tài)下經(jīng)歷著極其緩慢的降解過程[8]，而主導(dǎo)這一過程的是MMPs。在生理狀態(tài)下，MMPs負(fù)責(zé)多種ECM蛋白的分解，其中，MMP-1在皮膚膠原蛋白的降解中起主要作用(GJ Fisher, 1996年)。膠原蛋白被MMP-1降解，會產(chǎn)生明膠，而明膠會被MMP家族中的明膠酶進(jìn)一步分解。在正常的皮膚組織中，MMP-1和明膠酶的含量都是極低的(GJ Fisher, 1996年)。此外，皮膚組織還會產(chǎn)生MMPs的天然抑制劑，這種組織金屬蛋白酶抑制劑(tissue inhibitors of matrix metalloproteinases, TIMPs)會延緩膠原蛋白的分解[9]。因此，在自然狀態(tài)下健康年輕人的膠原蛋白結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，ECM中的CF含量極低。

1.2 光老化過程中膠原蛋白碎片的產(chǎn)生 光老化會導(dǎo)致真皮ECM中一系列的改變，從而影響皮膚的外觀和功能。在UV的照射下會產(chǎn)生一種活性氧類(reactive oxygen species, ROS)，它可以增加AP-1的轉(zhuǎn)錄，而AP-1可以促進(jìn)MMPs的合成，減少前膠原基因的表達(dá)和轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor β, TGF-β)受體的數(shù)量[10]。MMPs合成的增加會加速膠原蛋白的分解，促進(jìn)CF的生成，而前膠原合成的減少會影響ECM膠原蛋白的更新，破壞ECM結(jié)構(gòu)的完整性，而不完整的ECM會加速CF的生成。UV照射還可以誘導(dǎo)皮膚產(chǎn)生SMAD7，阻礙TGF-β通路，從而使Ⅰ型前膠原減少。同時，UV照射可以使成纖維細(xì)胞產(chǎn)生富含半胱氨酸的蛋白61(CCN1)，CCN1可以促進(jìn)MMP-1表達(dá)，減少Ⅰ型前膠原合成[11]。這3種機(jī)制可以促進(jìn)CF的產(chǎn)生或減弱ECM成分的更新，最終影響ECM結(jié)構(gòu)和功能的完整性。

此外，UV照射還可以活化核轉(zhuǎn)錄因子NF-κB，它可以引起多種促炎因子的產(chǎn)生，也可以刺激MMPs的表達(dá)。TIMPs可以調(diào)節(jié)MMPs的活性，從而起到抑制膠原蛋白分解的作用，研究表明，TIMPs的表達(dá)在光老化皮膚和正常皮膚中的含量無明顯差異[9]。因此，在UV照射下， MMPs含量通過多種信號通路的調(diào)節(jié)而大幅度上升，從而加速了ECM中膠原蛋白的分解。研究表明，甘露糖受體Endo180在成纖維細(xì)胞攝取CF中起著重要作用，而整合素α2β1在膠原蛋白與成纖維細(xì)胞的結(jié)合中至關(guān)重要，UV照射會使Endo180和整合素α2β1表達(dá)減少，從而減弱了細(xì)胞的內(nèi)吞作用，加劇了CF在真皮ECM中的積累[12]。

2 膠原蛋白碎片對真皮ECM的影響

2.1 膠原蛋白碎片對成纖維細(xì)胞形態(tài)的影響 光老化真皮ECM中會出現(xiàn)CF，而原有的交叉連接的膠原蛋白結(jié)構(gòu)會阻止CF的清除，CF不能被修復(fù)，也不能合并入新合成的膠原纖維中，這會造成膠原蛋白基質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的缺損。這一缺損會影響真皮結(jié)構(gòu)的完整性，從而改變其功能[13]。

人真皮成纖維細(xì)胞存在于充滿膠原蛋白的ECM微環(huán)境中，是結(jié)締組織的重要組成成分。成纖維細(xì)胞表面有一種細(xì)胞表面受體，這種受體被稱為整合素，成纖維細(xì)胞通過整合素與ECM中的Ⅰ型膠原蛋白連接。整合素跨越細(xì)胞膜使膠原蛋白集合成束，并與細(xì)胞內(nèi)的肌動蛋白骨架連接形成復(fù)合體。整合素連接了ECM和細(xì)胞內(nèi)的肌動蛋白骨架形成黏著斑，黏著斑復(fù)合體既有調(diào)節(jié)功能，又有機(jī)械傳導(dǎo)的作用[14]。黏著斑為成纖維細(xì)胞的伸展提供了結(jié)合位點(diǎn)，這對于成纖維細(xì)胞的生長、生存和功能起到至關(guān)重要的作用。成纖維細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)通過結(jié)合位點(diǎn)可以向完整的膠原蛋白外基質(zhì)施加機(jī)械牽引力，從而對膠原纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有一個拉力作用，而完整的膠原纖維結(jié)構(gòu)可以對這一拉力施加一個反作用力。因此，在成纖維細(xì)胞和膠原蛋白外基質(zhì)之間會有一定的張力。研究表明，細(xì)胞的形態(tài)和其所受的張力可以調(diào)節(jié)其基本功能[15]。而細(xì)胞的形態(tài)和所受張力主要取決于與其相互作用的ECM的狀態(tài)[16]。在年輕人皮膚細(xì)胞ECM中，成纖維細(xì)胞黏附在完整的膠原纖維上，并通過其提供的牽引力實現(xiàn)自身的正常形態(tài)；而在年老和光老化的皮膚ECM中，膠原蛋白呈碎片狀，這一改變減少了成纖維細(xì)胞的結(jié)合位點(diǎn)和機(jī)械穩(wěn)定性[17]。結(jié)合位點(diǎn)的減少，使ECM向成纖維細(xì)胞內(nèi)的信號傳導(dǎo)受阻，也減弱了ECM對成纖維細(xì)胞的機(jī)械牽引力，因此，成纖維細(xì)胞失去其瘦長的紡錘狀結(jié)構(gòu)，變成了塌陷的短圓狀結(jié)構(gòu)。

2.2 膠原蛋白碎片對MMP-1和前膠原合成的影響 最新研究表明，成纖維細(xì)胞失去其正常形態(tài)和所受張力，會導(dǎo)致細(xì)胞中c-Jun和AP-1的升高，從而導(dǎo)致MMP-1表達(dá)增加。該研究通過改變成纖維細(xì)胞的培養(yǎng)基，使其恢復(fù)正常形態(tài)和張力，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基中c-Jun和MMP-1水平均下降，說明成纖維細(xì)胞功能的改變是可逆的[10]。增多的MMP-1會進(jìn)一步分解ECM中的膠原蛋白，破壞ECM的結(jié)構(gòu)完整性，影響成纖維細(xì)胞和ECM的相互作用。這一惡性循環(huán)在年老和光老化的皮膚ECM中持續(xù)存在，并不斷地破壞ECM微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，最終導(dǎo)致皮膚在外觀和功能上的改變。

前膠原主要由成纖維細(xì)胞合成，而前膠原是合成膠原蛋白的重要原料，它在真皮ECM膠原蛋白的更新中起著重要作用。在光老化的皮膚中，前膠原的含量是下降的(CEM Griffiths, 1993年)。研究表明，從光老化皮膚中分離培養(yǎng)的成纖維細(xì)胞合成Ⅰ型前膠原的能力，與正常皮膚中分離出的成纖維細(xì)胞相同[18]。在光老化皮膚真皮ECM中，CF的積累改變了成纖維細(xì)胞的形態(tài)和功能，抑制了Ⅰ型前膠原的合成，從而減少了新生膠原蛋白，膠原蛋白更新的減慢促使CF在ECM中的進(jìn)一步積累[19]。

2.3 膠原蛋白碎片對透明質(zhì)酸合成的影響 透明質(zhì)酸(hyaluronan, HA)是真皮ECM的一種重要組成成分，在保持皮膚水分，維持細(xì)胞膨脹度和ECM的擴(kuò)散梯度中起著重要作用(W Manuskiatti, 1996年)。HA是在細(xì)胞膜經(jīng)透明質(zhì)酸合酶1-3(HAS1-3)合成的，HAS可以聚集活化的UDP-氨基葡萄糖和葡萄糖醛酸，并把合成的HA聚合物排出到ECM中。在光老化和年老的皮膚中HA的含量會減少。CF具有一定的生物活性，在平滑肌細(xì)胞中，CF可以造成黏著斑激酶的解離，還可以通過激活αvβ3整合素來抑制細(xì)胞凋亡[20]。CF可以對3種HAS起到不同的調(diào)節(jié)作用，可以上調(diào)HAS1含量，下調(diào)HAS2含量，但不改變HAS3含量。其中HAS2的含量最多，CF通過抑制HAS2來減少HA的合成。研究表明，CF抑制HAS2也是通過αvβ3的信號通路，CF激活αvβ3整合素信號，從而造成了Rho激酶(ROCK)的抑制，同時，細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK)1/2通過細(xì)胞內(nèi)肌動蛋白骨架移動到細(xì)胞核內(nèi)，最終抑制了HAS2的轉(zhuǎn)錄。與此同時，αvβ3整合素信號通過增加p38的表達(dá)提高了HAS1的含量[21]，而HAS1的增加對于HA合成的貢獻(xiàn)微乎其微。因此，由于HAS2被CF抑制，真皮ECM中的HA含量在光老化過程中逐漸減少。

最近，Quan等[17]在研究中通過向皮膚中注入交叉連接結(jié)構(gòu)的透明質(zhì)酸，發(fā)現(xiàn)皮膚ECM中成纖維細(xì)胞恢復(fù)了瘦長紡錘狀形態(tài)，而TGF-β的含量上升，膠原蛋白合成量增加。交叉連接的透明質(zhì)酸增強(qiáng)了ECM的結(jié)構(gòu)，從而增加了成纖維細(xì)胞與ECM之間的黏附。這一過程增加了TGF-β的表達(dá)，而上調(diào)的TGF-β會引發(fā)膠原蛋白的合成，新合成的膠原蛋白會促進(jìn)成纖維細(xì)胞的伸展和生長，從而進(jìn)一步激活TGF-β信號，這是一個良性的循環(huán)。

3 總結(jié)

ECM是細(xì)胞生長的微環(huán)境，它的完整性維持著細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的正常，而ECM的穩(wěn)態(tài)一旦遭到破壞，其中的異常成分便會成為加速細(xì)胞狀態(tài)惡化的源頭[22]。CF在ECM中積累是光老化皮膚的一個特征性變化。CF破壞了膠原蛋白纖維的完整性，減少了膠原纖維與成纖維細(xì)胞之間的黏附，從而減弱了膠原纖維對成纖維細(xì)胞的機(jī)械牽引力，最終導(dǎo)致了成纖維細(xì)胞功能和形態(tài)的改變。這種改變會導(dǎo)致MMP-1的表達(dá)增加，前膠原的合成減少，從而使ECM中的CF含量進(jìn)一步增加，這是一個持續(xù)存在的惡性循環(huán)。CF還可以通過激活αvβ3整合素信號通路抑制HAS2的轉(zhuǎn)錄，最終導(dǎo)致HA合成的減少，而HA是ECM中的重要組成部分，HA的減少會加劇ECM微環(huán)境的惡化。Fisher等[3]在膠原蛋白三維結(jié)構(gòu)中培養(yǎng)成纖維細(xì)胞的過程中發(fā)現(xiàn)，CF可以通過改變ECM的結(jié)構(gòu)提高細(xì)胞的氧化應(yīng)激水平，這一現(xiàn)象的具體機(jī)制還有待進(jìn)一步的研究。在光老化和衰老的過程中，CF在ECM中不斷積累，從而影響ECM的功能和結(jié)構(gòu)。目前，ECM在光老化細(xì)胞中的作用越來越受到重視，很多研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了改善ECM狀態(tài)的方案[2,23]。CF影響ECM功能和狀態(tài)的過程還有很多未知的機(jī)制未被發(fā)現(xiàn)，關(guān)于CF的研究還有很長的路要走。

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國家自然科學(xué)基金資助項目(81272125;81301642)；上海市衛(wèi)生系統(tǒng)優(yōu)秀學(xué)科帶頭人資助項目(XBR2011033)

200040 上海，復(fù)旦大學(xué)附屬華東醫(yī)院 整形外科

盧勇舟(1990-)，男，河南安陽人，碩士研究生.

劉天一，200040，復(fù)旦大學(xué)附屬華東醫(yī)院 整形外科，電子信箱：tianyiliucn@126.com

10.3969/j.issn.1673-7040.2015.04.008

2014-11-12)