引用本文: 王志国, 匡瑞霞, 徐全臣, 陈振雨, 李鹏. 人体不同部位正常皮肤成纤维细胞对机械张力反应的研究. 中国修复重建外科杂志, 2015, 29(4): 467-471. doi: 10.7507/1002-1892.20150101 复制
增生性瘢痕的发生机制目前尚未明确,研究表明机械张力可能在其形成过程中发挥主要作用[1-2];成纤维细胞是关键效应细胞,其异质性被认为是增生性瘢痕发病的重要机制[3]。皮肤是人体最大的器官,不同部位皮肤承受的机械张力不同,增生性瘢痕发生几率和转归也不同[4-6],提示不同部位皮肤对机械张力的反应可能也不同。本研究通过检测人体背部和上臂内侧正常皮肤成纤维细胞对机械张力的反应,探讨人体皮肤成纤维细胞的部位特征,藉此探索增生性瘢痕的发生机制。
1 材料与方法
1.1 主要试剂及仪器
α-MEM培养基、FBS、含EDTA的胰酶(HyClone公司,美国);Cell Counting Kit-8(CCK-8)试剂盒(同仁化学研究所,日本);逆转录试剂盒、荧光定量PCR试剂盒(大连宝生物工程有限公司);TGF-β1、Ⅰ型胶原ELISA试剂盒(R&D Systems 公司,美国);Trizol试剂(Sigma公司,美国)。Ⅰ型胶原a1链(collagen type Ⅰα1 chain,COL1A1)、TGF-β1、整合素β1、 P130Cas(p130Crk-associated substance)PCR引物由上海生工生物工程技术服务有限公司设计合成多通道细胞应力加载仪由青岛大学附属青岛市立医院口腔科袁晓与哈尔滨工业大学联合研制;6 孔弹性基底膜培养板(BF-3001C;Flex-cell 公司,美国);酶联免疫检测仪(Tecan公司,瑞士);ABI-7500 定量PCR仪(ABI公司,美国);CO2培养箱(Shelden公司,美国);倒置显微镜(Leica公司,德国)。
1.2 实验分组及方法
实验用正常皮肤组织标本由2013年1月-2014年1月于青岛大学附属医院烧伤整形外科接受色素痣切除手术的3例患者自愿捐赠,男1例,女2例;年龄20、21、40岁。每例患者均取背部及上臂内侧皮肤,按照文献[7-8]应用组织块法体外培养成纤维细胞,取第5~8代细胞进行实验。
背部和上臂内侧细胞分别设实验组和对照组,实验组细胞接受加载周期性机械张力,对照组细胞不作加载。调整细胞悬液浓度至1.5×105个/mL,以2 mL/孔均匀接种于6孔弹性基底膜培养板,每孔接种细胞3×105个。于37℃、5%CO2及饱和湿度条件下继续培养24 h,倒置显微镜下观察细胞达70%~80%融合后,更换培养基。根据前期研究皮肤成纤维细胞对10%拉伸幅度的机械张力产生明显机械传导和生化效应[9],我们将实验组细胞培养板置于多通道细胞应力加载仪内,加载周期性机械张力,拉伸最大幅度为10%;加载频率为0.1Hz,即5 s拉伸,5 s松弛。实验组加载24、36、48 h,对照组于相应时间点,取细胞进行以下观测。
1.3 观测指标
1.3.1 细胞形态学观察
各时间点加载结束后,倒置显微镜下观察各组细胞形态变化。
1.3.2 CCK-8
检测细胞增殖活性各时间点两组分别取3孔细胞,每孔加入CCK-8试剂200 μL,摇动培养板将试剂混匀后继续在培养箱中培养3 h。取细胞上清液,采用酶联免疫检测仪在450 nm波长处检测吸光度(A)值。以A值大小间接反映细胞数量。
1.3.3 RT-PCR检测
各个时间点取3孔细胞,每孔加入1 mL Trizol试剂裂解细胞,Trizol 法提取细胞总RNA,常规行RT-PCR检测整合素β1、P130Cas、COL1A1、TGF-β1 mRNA表达水平。具体如下:SYBR® Premix TaqTM Ⅱ10 µL,浓度 10 μmol/L 的上、下游引物各0.8 µL,DNA模板2 µL,双蒸水6.4 µL,每个样品重复3管。反应依照两步法PCR扩增标准程序,进行95℃预变形30s,然后95℃、5s,60℃、20s,40个循环。扩增完成后,应用LightCycler480软件对反应产物的溶解曲线进行自动定量分析。采用GAPDH作为内参,各引物序列见表 1。采用相对定量法计算各目的基因mRNA含量,即根据Ct值计算2-ΔΔct值。ΔΔCt=(Ct目的-Ct内参)-(Ct对照-Ct内参)。

1.3.4 ELISA检测
在加力各时间点收集培养板各孔细胞上清液,按照TGF-β1、Ⅰ型胶原ELISA试剂盒说明进行操作,检测TGF-β1、Ⅰ型胶原含量。
1.4 统计学方法
采用SPSS11.5统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示,组间比较采用独立样本t检验;检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 细胞形态观察
对照组:细胞分布分散,排列无序。实验组:加载后细胞增殖旺盛,分布密集,排列呈一定方向性;随加载时间增加,细胞增殖愈旺盛,分布愈加密集。见图 1。

2.2 CCK-8检测细胞增殖活性
各时间点,对照组背部及上臂内侧细胞增殖比较,差异均无统计学意义(P>0.05)。加载24 h时,实验组背部及上臂内侧细胞增殖活性比较,差异无统计学意义(t=0.644,P=0.534);加载36、48 h时背部细胞增殖能力高于上臂内侧,差异均有统计学意义(t=2.96,P=0.014;t=7.319,P=0.000)。见图 2。
2.3 RT-PCR检测
各时间点,对照组背部细胞及上臂内侧细胞整合素β1、P130Cas、COL1A1、TGF-β1 mRNA表达水平比较,差异均无统计学意义(P>0.05)。加载24 h时,实验组背部细胞及上臂内侧细胞整合素β1、P130Cas、TGF-β1 mRNA表达水平比较,差异均无统计学意义(t=1.488,P=0.167; t=1.153,P=0.276; t=0.705,P=0.497);36 h和48 h时,背部细胞以上基因表达水平均显著高于上臂内侧细胞,比较差异均有统计学意义[(t=8.459,P=0.000;t=10.002,P=0.000;t=9.587,P=0.000);(t=13.942,P=0.000;t=32.525,P=0.000;t=12.819,P=0.000)]。各时间点,实验组背部及上臂内侧细胞中COL1A1 mRNA表达水平比较,差异均无统计学意义(t=1.718,P=0.117;t=1.919,P=0.084;t=1.823,P=0.098)。见图 3。

2.4 ELISA检测
各时间点,对照组背部及上臂内侧细胞TGF-β1、Ⅰ型胶原含量比较,差异均无统计学意义(P>0.05)。加载24 h时,实验组背部及上臂内侧细胞TGF-β1含量比较,差异无统计学意义(t=1.996,P=0.074);36、48h时背部细胞高于上臂内侧细胞,差异有统计学意义(t=5.975,P=0.000;t=14.686,P=0.000)。而各时间点实验组背部及上臂内侧细胞Ⅰ型胶原含量比较,差异均无统计学意义(t=1.826,P=0.098;t=0.341,P=0.740;t=1.606,P=0.139)。见图 4。
3 讨论
研究发现,通过加载静态机械张力,可以促进皮肤成纤维细胞增殖、分泌生长因子[10];动态机械张力可以促进皮肤成纤维细胞增殖、胶原合成和TGF-β表达 [11];机械张力可以使成纤维细胞旁分泌TGF-β,也可以活化肌成纤维细胞细胞外基质中的TGF-β[12]。但有研究发现阻断机械张力传导并不影响皮肤成纤维细胞合成胶原和表达TGF-β[13];甚至,机械张力可通过下调CTGF表达抑制成纤维细胞增殖及胶原合成[14]。以上国内外有关皮肤成纤维细胞对机械张力反应的研究结论差异较大,我们认为与选择的成纤维细胞来源部位不同有关。
皮肤作为人体最大器官,不同部位发生增生性瘢痕的几率不同,增生性瘢痕的转归也不同。人体肩背部、前胸及关节部位受到重力和肌肉牵拉力的影响最大,是增生性瘢痕多发部位;而上睑、肢体屈侧、手足底等处由于受到重力和肌肉牵拉力影响较小,增生性瘢痕发生率低[4-6]。因此,我们认为人体不同部位皮肤对机械张力反应不同。因此,明确人体不同部位正常皮肤成纤维细胞的力学参数是研究增生性瘢痕力学机制的基础。目前,罕见人体不同部位、性别与皮肤成纤维细胞力学参数的相关研究文献。本研究中,我们随机选择健康自愿者背部和上臂内侧正常皮肤进行比较,这两个部位分别为增生性瘢痕高发和少发部位。
整合素是机械和生化信号传输的双向通道,可以对细胞内外的刺激产生反应[15]。当整合素胞外区域与其特异的细胞外基质配体结合后,会导致细胞骨架蛋白聚集,形成粘着斑。粘着斑是主要的机械信号感受位点,其机械形变是机械信号传导的起始[16]。蛋白酪氨酸激酶活化引起粘着斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)磷酸化,活化的FAK激活整合素β链胞内区与粘着斑复合体内的Talin 和Vinculin 连接,把力学信号从胞外传递进胞内[17]。细胞骨架蛋白P130Cas是细胞内基本的感应器,FAK磷酸化后将其激活。P130Cas负责将力学信号有选择转换到细胞和核内的不同构件上,产生一系列生化信号[18-19]。既往研究发现机械张力能够刺激皮肤成纤维细胞整合素β1和P130Cas基因表达[20-21]。
本研究结果显示,机械张力能刺激成纤维细胞增殖,促进整合素β1、P130Cas、TGF-β1和COL1A1基因表达,刺激TGF-β1和Ⅰ型胶原分泌。但是,实验组两部位细胞的反应水平不一致。实验组背部细胞整合素β1 mRNA和P130Cas mRNA表达在加载36 h和48 h均高于上臂内侧,显示背部皮肤成纤维细胞对机械张力的敏感性更高;背部细胞增殖及TGF-β1 mRNA表达和分泌水平在加载36 h和48 h均高于上臂内侧,显示背部皮肤成纤维细胞对机械张力的生化反应更强烈。加载机械张力后各时间点实验组两部位Ⅰ型胶原mRNA表达和分泌水平差异均无统计学意义,提示短时间内张力刺激两部位对Ⅰ型胶原的合成和分泌能力无显著影响。
综上述,人体不同部位皮肤成纤维细胞对机械张力的传导能力和生化反应不同,可能导致不同部位增生性瘢痕的发生率不同。但本研究仅选择了两个部位,尚需进一步研究人体更多部位皮肤成纤维细胞对机械张力的反应。
增生性瘢痕的发生机制目前尚未明确,研究表明机械张力可能在其形成过程中发挥主要作用[1-2];成纤维细胞是关键效应细胞,其异质性被认为是增生性瘢痕发病的重要机制[3]。皮肤是人体最大的器官,不同部位皮肤承受的机械张力不同,增生性瘢痕发生几率和转归也不同[4-6],提示不同部位皮肤对机械张力的反应可能也不同。本研究通过检测人体背部和上臂内侧正常皮肤成纤维细胞对机械张力的反应,探讨人体皮肤成纤维细胞的部位特征,藉此探索增生性瘢痕的发生机制。
1 材料与方法
1.1 主要试剂及仪器
α-MEM培养基、FBS、含EDTA的胰酶(HyClone公司,美国);Cell Counting Kit-8(CCK-8)试剂盒(同仁化学研究所,日本);逆转录试剂盒、荧光定量PCR试剂盒(大连宝生物工程有限公司);TGF-β1、Ⅰ型胶原ELISA试剂盒(R&D Systems 公司,美国);Trizol试剂(Sigma公司,美国)。Ⅰ型胶原a1链(collagen type Ⅰα1 chain,COL1A1)、TGF-β1、整合素β1、 P130Cas(p130Crk-associated substance)PCR引物由上海生工生物工程技术服务有限公司设计合成多通道细胞应力加载仪由青岛大学附属青岛市立医院口腔科袁晓与哈尔滨工业大学联合研制;6 孔弹性基底膜培养板(BF-3001C;Flex-cell 公司,美国);酶联免疫检测仪(Tecan公司,瑞士);ABI-7500 定量PCR仪(ABI公司,美国);CO2培养箱(Shelden公司,美国);倒置显微镜(Leica公司,德国)。
1.2 实验分组及方法
实验用正常皮肤组织标本由2013年1月-2014年1月于青岛大学附属医院烧伤整形外科接受色素痣切除手术的3例患者自愿捐赠,男1例,女2例;年龄20、21、40岁。每例患者均取背部及上臂内侧皮肤,按照文献[7-8]应用组织块法体外培养成纤维细胞,取第5~8代细胞进行实验。
背部和上臂内侧细胞分别设实验组和对照组,实验组细胞接受加载周期性机械张力,对照组细胞不作加载。调整细胞悬液浓度至1.5×105个/mL,以2 mL/孔均匀接种于6孔弹性基底膜培养板,每孔接种细胞3×105个。于37℃、5%CO2及饱和湿度条件下继续培养24 h,倒置显微镜下观察细胞达70%~80%融合后,更换培养基。根据前期研究皮肤成纤维细胞对10%拉伸幅度的机械张力产生明显机械传导和生化效应[9],我们将实验组细胞培养板置于多通道细胞应力加载仪内,加载周期性机械张力,拉伸最大幅度为10%;加载频率为0.1Hz,即5 s拉伸,5 s松弛。实验组加载24、36、48 h,对照组于相应时间点,取细胞进行以下观测。
1.3 观测指标
1.3.1 细胞形态学观察
各时间点加载结束后,倒置显微镜下观察各组细胞形态变化。
1.3.2 CCK-8
检测细胞增殖活性各时间点两组分别取3孔细胞,每孔加入CCK-8试剂200 μL,摇动培养板将试剂混匀后继续在培养箱中培养3 h。取细胞上清液,采用酶联免疫检测仪在450 nm波长处检测吸光度(A)值。以A值大小间接反映细胞数量。
1.3.3 RT-PCR检测
各个时间点取3孔细胞,每孔加入1 mL Trizol试剂裂解细胞,Trizol 法提取细胞总RNA,常规行RT-PCR检测整合素β1、P130Cas、COL1A1、TGF-β1 mRNA表达水平。具体如下:SYBR® Premix TaqTM Ⅱ10 µL,浓度 10 μmol/L 的上、下游引物各0.8 µL,DNA模板2 µL,双蒸水6.4 µL,每个样品重复3管。反应依照两步法PCR扩增标准程序,进行95℃预变形30s,然后95℃、5s,60℃、20s,40个循环。扩增完成后,应用LightCycler480软件对反应产物的溶解曲线进行自动定量分析。采用GAPDH作为内参,各引物序列见表 1。采用相对定量法计算各目的基因mRNA含量,即根据Ct值计算2-ΔΔct值。ΔΔCt=(Ct目的-Ct内参)-(Ct对照-Ct内参)。

1.3.4 ELISA检测
在加力各时间点收集培养板各孔细胞上清液,按照TGF-β1、Ⅰ型胶原ELISA试剂盒说明进行操作,检测TGF-β1、Ⅰ型胶原含量。
1.4 统计学方法
采用SPSS11.5统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示,组间比较采用独立样本t检验;检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 细胞形态观察
对照组:细胞分布分散,排列无序。实验组:加载后细胞增殖旺盛,分布密集,排列呈一定方向性;随加载时间增加,细胞增殖愈旺盛,分布愈加密集。见图 1。

2.2 CCK-8检测细胞增殖活性
各时间点,对照组背部及上臂内侧细胞增殖比较,差异均无统计学意义(P>0.05)。加载24 h时,实验组背部及上臂内侧细胞增殖活性比较,差异无统计学意义(t=0.644,P=0.534);加载36、48 h时背部细胞增殖能力高于上臂内侧,差异均有统计学意义(t=2.96,P=0.014;t=7.319,P=0.000)。见图 2。
2.3 RT-PCR检测
各时间点,对照组背部细胞及上臂内侧细胞整合素β1、P130Cas、COL1A1、TGF-β1 mRNA表达水平比较,差异均无统计学意义(P>0.05)。加载24 h时,实验组背部细胞及上臂内侧细胞整合素β1、P130Cas、TGF-β1 mRNA表达水平比较,差异均无统计学意义(t=1.488,P=0.167; t=1.153,P=0.276; t=0.705,P=0.497);36 h和48 h时,背部细胞以上基因表达水平均显著高于上臂内侧细胞,比较差异均有统计学意义[(t=8.459,P=0.000;t=10.002,P=0.000;t=9.587,P=0.000);(t=13.942,P=0.000;t=32.525,P=0.000;t=12.819,P=0.000)]。各时间点,实验组背部及上臂内侧细胞中COL1A1 mRNA表达水平比较,差异均无统计学意义(t=1.718,P=0.117;t=1.919,P=0.084;t=1.823,P=0.098)。见图 3。

2.4 ELISA检测
各时间点,对照组背部及上臂内侧细胞TGF-β1、Ⅰ型胶原含量比较,差异均无统计学意义(P>0.05)。加载24 h时,实验组背部及上臂内侧细胞TGF-β1含量比较,差异无统计学意义(t=1.996,P=0.074);36、48h时背部细胞高于上臂内侧细胞,差异有统计学意义(t=5.975,P=0.000;t=14.686,P=0.000)。而各时间点实验组背部及上臂内侧细胞Ⅰ型胶原含量比较,差异均无统计学意义(t=1.826,P=0.098;t=0.341,P=0.740;t=1.606,P=0.139)。见图 4。
3 讨论
研究发现,通过加载静态机械张力,可以促进皮肤成纤维细胞增殖、分泌生长因子[10];动态机械张力可以促进皮肤成纤维细胞增殖、胶原合成和TGF-β表达 [11];机械张力可以使成纤维细胞旁分泌TGF-β,也可以活化肌成纤维细胞细胞外基质中的TGF-β[12]。但有研究发现阻断机械张力传导并不影响皮肤成纤维细胞合成胶原和表达TGF-β[13];甚至,机械张力可通过下调CTGF表达抑制成纤维细胞增殖及胶原合成[14]。以上国内外有关皮肤成纤维细胞对机械张力反应的研究结论差异较大,我们认为与选择的成纤维细胞来源部位不同有关。
皮肤作为人体最大器官,不同部位发生增生性瘢痕的几率不同,增生性瘢痕的转归也不同。人体肩背部、前胸及关节部位受到重力和肌肉牵拉力的影响最大,是增生性瘢痕多发部位;而上睑、肢体屈侧、手足底等处由于受到重力和肌肉牵拉力影响较小,增生性瘢痕发生率低[4-6]。因此,我们认为人体不同部位皮肤对机械张力反应不同。因此,明确人体不同部位正常皮肤成纤维细胞的力学参数是研究增生性瘢痕力学机制的基础。目前,罕见人体不同部位、性别与皮肤成纤维细胞力学参数的相关研究文献。本研究中,我们随机选择健康自愿者背部和上臂内侧正常皮肤进行比较,这两个部位分别为增生性瘢痕高发和少发部位。
整合素是机械和生化信号传输的双向通道,可以对细胞内外的刺激产生反应[15]。当整合素胞外区域与其特异的细胞外基质配体结合后,会导致细胞骨架蛋白聚集,形成粘着斑。粘着斑是主要的机械信号感受位点,其机械形变是机械信号传导的起始[16]。蛋白酪氨酸激酶活化引起粘着斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)磷酸化,活化的FAK激活整合素β链胞内区与粘着斑复合体内的Talin 和Vinculin 连接,把力学信号从胞外传递进胞内[17]。细胞骨架蛋白P130Cas是细胞内基本的感应器,FAK磷酸化后将其激活。P130Cas负责将力学信号有选择转换到细胞和核内的不同构件上,产生一系列生化信号[18-19]。既往研究发现机械张力能够刺激皮肤成纤维细胞整合素β1和P130Cas基因表达[20-21]。
本研究结果显示,机械张力能刺激成纤维细胞增殖,促进整合素β1、P130Cas、TGF-β1和COL1A1基因表达,刺激TGF-β1和Ⅰ型胶原分泌。但是,实验组两部位细胞的反应水平不一致。实验组背部细胞整合素β1 mRNA和P130Cas mRNA表达在加载36 h和48 h均高于上臂内侧,显示背部皮肤成纤维细胞对机械张力的敏感性更高;背部细胞增殖及TGF-β1 mRNA表达和分泌水平在加载36 h和48 h均高于上臂内侧,显示背部皮肤成纤维细胞对机械张力的生化反应更强烈。加载机械张力后各时间点实验组两部位Ⅰ型胶原mRNA表达和分泌水平差异均无统计学意义,提示短时间内张力刺激两部位对Ⅰ型胶原的合成和分泌能力无显著影响。
综上述,人体不同部位皮肤成纤维细胞对机械张力的传导能力和生化反应不同,可能导致不同部位增生性瘢痕的发生率不同。但本研究仅选择了两个部位,尚需进一步研究人体更多部位皮肤成纤维细胞对机械张力的反应。