細(xì)胞外基質(zhì)在無(wú)瘢痕修復(fù)和再生中的研究進(jìn)展

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(xì)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(xì)胞外的復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其在發(fā)育、組織動(dòng)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(dòng)物體內(nèi)對(duì)細(xì)胞和可溶性成分動(dòng)態(tài)響應(yīng)可有效修復(fù)受損組織，而在另一些動(dòng)物體內(nèi)卻引起非細(xì)胞瘢痕組織纖維化，這種現(xiàn)象與巨噬細(xì)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。

1 ECM的簡(jiǎn)述

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(xì)胞的外部，用于包裹細(xì)胞。組成ECM蛋白質(zhì)包括至少27個(gè)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(diǎn)［2］。纖連蛋白和其他ECM成分通過(guò)與膜結(jié)合整合素受體相結(jié)合，誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路及細(xì)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(xì)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(zhǎng)因子的釋放、血管再生、組織病理改變和炎癥應(yīng)答等，對(duì)于機(jī)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(guò)細(xì)胞受體，提供黏性基質(zhì)，以提高細(xì)胞的黏附性，又可在需要的情況下形成光滑基質(zhì)，以便細(xì)胞遷移。而ECM環(huán)境則可影響細(xì)胞間的通訊方式，從而促進(jìn)或限制細(xì)胞遷移、定位，以及影響信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)環(huán)境。在發(fā)育過(guò)程中，ECM的構(gòu)成可根據(jù)所處微環(huán)境及祖細(xì)胞群的情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整，以適應(yīng)細(xì)胞間通訊、細(xì)胞遷移等不同需求［5］。大量研究指出，ECM同樣影響著干細(xì)胞/祖細(xì)胞的細(xì)胞極性、屏障功能及其微環(huán)境，這對(duì)于維持一個(gè)復(fù)雜機(jī)體的穩(wěn)定是非常重要的。因此，ECM的組分可通過(guò)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(guò)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(dòng)態(tài)關(guān)系，以便于免疫細(xì)胞可以降解ECM分子和調(diào)控ECM相關(guān)分子的表達(dá)。當(dāng)ECM分子被免疫細(xì)胞降解后，進(jìn)而激活免疫細(xì)胞信號(hào)通路，并釋放細(xì)胞因子［6］。

一些非哺乳類(lèi)脊椎動(dòng)物在許多組織中可以進(jìn)行無(wú)瘢痕修復(fù)，而哺乳動(dòng)物對(duì)于組織損傷的修復(fù)常常會(huì)產(chǎn)生瘢痕［7］。即使哺乳動(dòng)物肌肉的再生功能較強(qiáng)，但許多情況下發(fā)生的損傷，哺乳動(dòng)物會(huì)用形成瘢痕組織的非細(xì)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(shí)形成的瘢痕，對(duì)機(jī)體的影響極小，但是心臟或脊髓損傷形成的瘢痕可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重功能后果，甚至死亡。這些結(jié)果說(shuō)明了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的再生，以及瘢痕形成的起始過(guò)程看來(lái)是截然相反的。本文通過(guò)對(duì)ECM組分在無(wú)瘢痕修復(fù)再生中的特性的綜述，以便用于探索人類(lèi)傷口愈合和組織再生潛力的調(diào)控方式。

2 ECM動(dòng)態(tài)改變?cè)诮M織修復(fù)中的作用

在蠑螈和斑馬魚(yú)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(mǎn)足傷口愈合、祖細(xì)胞形成、增殖，以及替代結(jié)構(gòu)再發(fā)育的需求而進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)［7］。研究指出ECM的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)在蠑螈的無(wú)瘢痕皮膚修復(fù)和肢體再生的修復(fù)過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用：無(wú)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(dòng)凝血級(jí)聯(lián)和補(bǔ)體系統(tǒng)，形成了一個(gè)纖維蛋白凝塊［8］。同時(shí)上皮細(xì)胞迅速遷移到凝塊上方，真皮成纖維細(xì)胞緊隨其后，在上皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞下面形成暫時(shí)性的ECM基質(zhì)，為干細(xì)胞聚集和生長(zhǎng)因子釋放及儲(chǔ)存提供了良好的微環(huán)境。當(dāng)炎癥環(huán)境將白細(xì)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(jìn)行分解，使生長(zhǎng)因子和其他配體釋放出來(lái)，激活相關(guān)細(xì)胞的胞內(nèi)外信號(hào)通路，進(jìn)而發(fā)揮相關(guān)細(xì)胞生物學(xué)功能。

此外，ECM中組分的動(dòng)態(tài)變化也為影響修復(fù)過(guò)程中干細(xì)胞的功能和分化［5］。在干細(xì)胞中，ECM的伸縮性影響到整合素的活化和轉(zhuǎn)運(yùn)，從而影響到對(duì)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(shí)，其支架的化學(xué)性質(zhì)不僅影響干細(xì)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(huì)對(duì)細(xì)胞命運(yùn)產(chǎn)生重大影響［10］。當(dāng)間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells，MSCs）在特定的ECM基質(zhì)上生成，其細(xì)胞的分化、功能與自然狀態(tài)下生長(zhǎng)在類(lèi)似基質(zhì)中MSCs分化和功能相近［11］。

3 組織修復(fù)過(guò)程中ECM調(diào)控存在物種差異

斑馬魚(yú)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(huì)留下瘢痕，但人類(lèi)及常見(jiàn)小家鼠的修復(fù)過(guò)程則會(huì)留下瘢痕［12－13］。其可能有如下原因：（1）哺乳動(dòng)物皮膚中上皮/角化細(xì)胞的遷移發(fā)生在傷口凝塊之下，蠑螈的上皮細(xì)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(dòng)物創(chuàng)口的基質(zhì)改變過(guò)程與蠑螈不同。一般說(shuō)來(lái)，創(chuàng)口修復(fù)中基質(zhì)開(kāi)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(duì)于大多數(shù)哺乳動(dòng)物來(lái)說(shuō)，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(xì)胞瘢痕。相比之下，在蠑螈皮膚傷口修復(fù)和肢體再生過(guò)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。

4 巨噬細(xì)胞調(diào)控ECM是組織修復(fù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一

在傷口修復(fù)中，巨噬細(xì)胞是ECM分解、成纖維細(xì)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(xì)胞控制成纖維細(xì)胞功能，間接調(diào)節(jié)炎癥，直接調(diào)節(jié)成纖維細(xì)胞膠原蛋白的生成［17］。一些巨噬細(xì)胞亞類(lèi)也可以將成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為肌成纖維細(xì)胞［18］。研究表明在蠑螈體內(nèi)系統(tǒng)性中去除巨噬細(xì)胞會(huì)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(xì)胞的能力，但其功能卻受到巨噬細(xì)胞的抑制，而在大多數(shù)成熟的哺乳動(dòng)物的巨噬細(xì)胞卻沒(méi)有產(chǎn)生同樣的抑制功能，這可能是由于在哺乳動(dòng)物傷口愈合過(guò)程，免疫細(xì)胞對(duì)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(xì)胞沒(méi)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(dòng)物胚胎傷口愈合也是無(wú)瘢痕修復(fù)。最近研究發(fā)現(xiàn)新生小鼠的心臟在進(jìn)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(guò)程中的一個(gè)顯著的特征是ECM的大量合成。但當(dāng)新生小鼠去除巨噬細(xì)胞之后，心臟產(chǎn)生少量的ECM，并且不能進(jìn)行無(wú)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(shuō)明新生小鼠心臟修復(fù)中，巨噬細(xì)胞可能通過(guò)調(diào)控ECM的合成而影響修復(fù)過(guò)程和結(jié)果。巨噬細(xì)胞調(diào)控ECM的機(jī)制研究雖未完全明確，但目前的研究主要集中在巨噬細(xì)胞亞群的分類(lèi)，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(xì)胞合成、分泌的活性物質(zhì)不同將巨噬細(xì)胞分為兩大類(lèi)［21］，經(jīng)典激活的巨噬細(xì)胞和選擇性激活的巨噬細(xì)胞。巨噬細(xì)胞的經(jīng)典激活需要2個(gè)信號(hào)的刺激，第1個(gè)刺激信號(hào)是IFN－γ，第2個(gè)刺激信號(hào)是腫瘤壞死因子（TNF）或脂多糖（LPS）等細(xì)菌產(chǎn)物；經(jīng)典激活的巨噬細(xì)胞高表達(dá)TNF、白細(xì)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(xì)胞主要是由IL－4或糖皮質(zhì)激素激活，激活后高表達(dá)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(shí)驗(yàn)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(xì)胞和全身去除巨噬細(xì)胞），通過(guò)降低巨噬細(xì)胞數(shù)量及其相關(guān)的TGF－β1表達(dá)，可以減少組織修復(fù)中膠原沉積和瘢痕形成?？梢?jiàn)巨噬細(xì)胞在組織修復(fù)中調(diào)控ECM的關(guān)鍵作用。

5 ECM在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

近年來(lái)，再生醫(yī)學(xué)整合多學(xué)科資源，經(jīng)歷了重大進(jìn)步，既使用細(xì)胞信號(hào)通路和ECM動(dòng)態(tài)平衡之間相互作用的理論來(lái)構(gòu)造人造ECM支架等生物修復(fù)材料。通常來(lái)說(shuō)，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(xì)胞對(duì)于不同的ECM組分均有相應(yīng)的整合素受體。因此通過(guò)構(gòu)建特殊成分的ECM，使目的細(xì)胞的整合素受體內(nèi)化及激活相關(guān)信號(hào)通路，從而使目的細(xì)胞在損傷修復(fù)過(guò)程的有益的生物學(xué)功能得到充分發(fā)揮，而降低對(duì)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(shí)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(lèi)型多種多樣，例如纖維連接蛋白序列的整合以推進(jìn)大腦組織工程中的神經(jīng)突觸生長(zhǎng)［26］；成纖維細(xì)胞和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的轉(zhuǎn)運(yùn)，以增強(qiáng)血管再生；骨缺陷修復(fù)使用的母體，其中含有干細(xì)胞和誘導(dǎo)分化的細(xì)胞因子，可以促進(jìn)骨組織的修復(fù)［27］。其他研究已經(jīng)證實(shí)特定的ECMs組分可調(diào)控細(xì)胞的增殖、分化和存活信號(hào)通過(guò)［28］，從而影響細(xì)胞的功能，這說(shuō)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(jìn)一步研究ECM組分在組織細(xì)胞中的功能和機(jī)制，有利于設(shè)計(jì)、探索新的臨床治療的手段和策略。

6 結(jié)論和展望

ECM對(duì)于細(xì)胞功能、遷移，以及修復(fù)質(zhì)量的重要影響在近些年來(lái)已經(jīng)獲得認(rèn)可。對(duì)ECM的調(diào)控，從而改變機(jī)體修復(fù)過(guò)程和提高某些組織的再生潛力，有望成為在成熟哺乳動(dòng)物機(jī)體上進(jìn)行無(wú)瘢痕修復(fù)和組織再生的重要策略和手段。同時(shí)細(xì)胞與特定組分的ECM之間的動(dòng)態(tài)相互作用也將成為未來(lái)設(shè)計(jì)用于再生治療的生物材料和人造支架的重要因素。通過(guò)對(duì)再生過(guò)程各個(gè)階段ECM組織、特性的了解，可以為更深入了解再生機(jī)制和合理設(shè)計(jì)治療性再生和修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。

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