傷口愈合是生物體中持續(xù)發(fā)生的復(fù)雜過(guò)程，屬于組織穩(wěn)態(tài)的一部分，通過(guò)新組織替換受損組織，最終形成由活化成纖維細(xì)胞排列的膠原纖維構(gòu)成的無(wú)功能纖維化疤痕。成纖維細(xì)胞是傷口愈合的關(guān)鍵細(xì)胞，愈合過(guò)程分為止血、炎癥、增殖和組織重塑四個(gè)階段，炎癥期成纖維細(xì)胞趨化遷移至傷口，隨后增殖，再到組織重塑期，部分成纖維細(xì)胞分化為肌成纖維細(xì)胞，促進(jìn)組織收縮。

愈合時(shí)部分人會(huì)出現(xiàn)增生性疤痕或瘢痕疙瘩這類異常瘢痕，影響患者身心。二者都有過(guò)多膠原蛋白的變色皮膚擠壓物，但嚴(yán)重程度不同，增生性疤痕不超出原始傷口邊界且增厚凸起，瘢痕疙瘩會(huì)擴(kuò)散到周圍傷口邊緣。二者常具相似生長(zhǎng)和組織學(xué)特征，多數(shù)人認(rèn)為瘢痕疙瘩是獨(dú)特臨床實(shí)體，也有觀點(diǎn)認(rèn)為它們是相同炎癥性纖維增生性疾病的不同表現(xiàn)，其形成受遺傳、局部和生活方式等多種因素影響，了解這些因素對(duì)預(yù)防和治療很關(guān)鍵。

異常疤痕形成的關(guān)鍵因素為遺傳易感性和機(jī)械力。遺傳方面，Rinkevich 等人發(fā)現(xiàn)瘢痕內(nèi)成纖維細(xì)胞具有異質(zhì)性，存在不同分子譜和纖維化潛力的成纖維細(xì)胞譜系，且瘢痕疙瘩易在遺傳易感個(gè)體中出現(xiàn)，如深色皮膚個(gè)體，非裔美國(guó)人和亞洲人剖腹產(chǎn)后瘢痕疙瘩發(fā)生率較白種人高。雖有人認(rèn)為色素沉著增加與瘢痕疙瘩發(fā)展有關(guān)，但非洲白化病患者和正常色素沉著者在瘢痕疙瘩形成患病率上無(wú)顯著差異，表明色素沉著增加并非根本原因。機(jī)械力方面，其對(duì)傷口愈合和疤痕形成影響重大，機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)是細(xì)胞將機(jī)械力轉(zhuǎn)化為生化信號(hào)的過(guò)程，機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)不足會(huì)導(dǎo)致病理性傷口愈合（過(guò)度愈合或愈合不足）。機(jī)械張力被視為增生性疤痕和瘢痕疙瘩形成的主要原因，因多數(shù)異常疤痕在高張力皮膚部位形成，但耳垂處低張力也能形成瘢痕疙瘩，說(shuō)明高張力對(duì)增生性疤痕形成的影響只能部分解釋。目前尚無(wú)明確科學(xué)證據(jù)證明遺傳和機(jī)械同時(shí)影響疤痕形成。

當(dāng)前研究聚焦成纖維細(xì)胞在疤痕形成中的作用，經(jīng)轉(zhuǎn)錄組學(xué)和機(jī)械生物學(xué)研究有新發(fā)現(xiàn)：增生性疤痕來(lái)源的成纖維細(xì)胞中 HOX 基因表達(dá)水平高；傷口損傷致張力狀態(tài)改變，張力降低可能促進(jìn)成纖維細(xì)胞增殖；機(jī)械張力對(duì)正常皮膚、增生性疤痕和瘢痕疙瘩的增殖作用不同，且拉伸刺激與正常成纖維細(xì)胞中 HOX 基因表達(dá)正相關(guān)，增生性疤痕和瘢痕疙瘩的成纖維細(xì)胞對(duì)機(jī)械張力反應(yīng)有別。

近日，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院機(jī)械工程系的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)檢查HOX 基因響應(yīng)來(lái)自正常皮膚、增生性疤痕和瘢痕疙瘩的成纖維細(xì)胞中機(jī)械力的差異表達(dá)，研究機(jī)械張力與細(xì)胞行為之間的聯(lián)系。研究成果發(fā)表在Journal of Translational Medicine期刊題為“Tension-sensitive HOX gene expression in fibroblasts for differential scar formation”。

首先，對(duì)來(lái)自正常皮膚、增生性疤痕和瘢痕疙瘩的成纖維細(xì)胞進(jìn)行 RNA 測(cè)序分析。從正常皮膚、增生性瘢痕和瘢痕疙瘩這三種類型的各 3 例患者處獲取相應(yīng)組織，在受傷約兩個(gè)月后從每個(gè)疤痕組織中分離出成纖維細(xì)胞（圖1a）。因成纖維細(xì)胞取自受傷皮膚組織，人群中也存在肌成纖維細(xì)胞，通過(guò) α- 平滑肌肌動(dòng)蛋白（α-SMA）染色對(duì)其進(jìn)行鑒定。成纖維細(xì)胞培養(yǎng)兩天后，從每組中提取總 RNA 用于 RNA 測(cè)序（RNA-Seq）（圖1b）。

活化成纖維細(xì)胞與靜止成纖維細(xì)胞形態(tài)差異明顯，常表現(xiàn)為擴(kuò)散增加和細(xì)胞形狀改變。為量化差異，測(cè)量了細(xì)胞鋪展面積和縱橫比（圖1c和d）。分析顯示，增生性疤痕成纖維細(xì)胞與正常皮膚和瘢痕疙瘩的成纖維細(xì)胞相比，在細(xì)胞面積和縱橫比上有顯著差異，前者細(xì)胞更大、縱橫比較低，形態(tài)分布更廣、拉長(zhǎng)程度更低，可能是因增生性瘢痕組織中肌成纖維細(xì)胞豐度更高。而正常皮膚和瘢痕疙瘩的成纖維細(xì)胞在細(xì)胞面積或縱橫比上無(wú)顯著差異。盡管存在形態(tài)差異，但正常皮膚、增生性疤痕和瘢痕疙瘩的成纖維細(xì)胞整體轉(zhuǎn)錄組學(xué)特征相似，對(duì)所有基因平均 log2值的成對(duì)比較得出高相關(guān)系數(shù)（0.97-0.98），表明總基因表達(dá)模式無(wú)法區(qū)分這三組（圖1e），表型差異由特定基因亞群的集中轉(zhuǎn)錄變化而非全局基因表達(dá)的大規(guī)模變化驅(qū)動(dòng)。

圖1 來(lái)自正常皮膚、增生性疤痕和瘢痕疙瘩的成纖維細(xì)胞表現(xiàn)出不同的形態(tài)學(xué)特征，但保持大致相似的總mRNA表達(dá)。

然后，對(duì)不同類型瘢痕來(lái)源的成纖維細(xì)胞的差異基因進(jìn)行分析。通過(guò)特定閾值篩選出了 219 個(gè)差異表達(dá)基因。 對(duì)于這 219 個(gè)差異表達(dá)基因，進(jìn)行了主成分分析（PCA），并將數(shù)據(jù)投影到前兩個(gè)主成分（PC1 和 PC2）上，它們分別占總變異的 43.95% 和 23.60%（圖 2a），樣本按瘢痕類型而非解剖學(xué)位置聚類， 說(shuō)明這些差異基因可區(qū)分不同瘢痕來(lái)源的成纖維細(xì)胞 。使用同一組差異表達(dá)基因進(jìn)行的均勻流形近似與投影（UMAP）分析也得到了類似聚類結(jié)果，證實(shí)基因表達(dá)差異在不同解剖學(xué)來(lái)源中具有一致性。

層次聚類分析發(fā)現(xiàn)增生性瘢痕來(lái)源的成纖維細(xì)胞與瘢痕疙瘩來(lái)源的成纖維細(xì)胞之間存在顯著的差異表達(dá)（圖 2b） ，其中多數(shù)為 HOX 基因，在前者中高度上調(diào)。 GO分析顯示前十個(gè)過(guò)程主要與形態(tài)發(fā)生相關(guān) ，選擇了九個(gè)被認(rèn)為與傷口愈合相關(guān)的生物學(xué)過(guò)程，用于與先前確定的前十個(gè)與形態(tài)發(fā)生相關(guān)的過(guò)程進(jìn)行比較分析。這種方法旨在驗(yàn)證與傷口愈合功能的任何潛在聯(lián)系（圖 2c）， 發(fā)現(xiàn)與形態(tài)發(fā)生相關(guān)過(guò)程與增生性瘢痕來(lái)源成纖維細(xì)胞相關(guān)性更強(qiáng)且大多上調(diào)，而瘢痕疙瘩來(lái)源成纖維細(xì)胞中基因多失活或下調(diào)。 這些數(shù)據(jù)表明，與形態(tài)發(fā)生相關(guān)的生物學(xué)過(guò)程顯著影響增生性瘢痕的形成。另一方面，瘢痕疙瘩的形成似乎不受這些過(guò)程中任何一個(gè)的影響，從這些過(guò)程的總基因計(jì)數(shù)比增生性瘢痕來(lái)源的成纖維細(xì)胞中的基因計(jì)數(shù)少這一事實(shí)可以證明（圖 2c）。 STRING 分析揭示膠原編碼基因和 HOX 基因兩個(gè)重要簇及 12 個(gè)小基因群（圖 2d），且兩簇?zé)o已知相互作用。瘢痕疙瘩來(lái)源成纖維細(xì)胞雖無(wú)顯著形態(tài)變化但轉(zhuǎn)錄水平不同，表明其形成可能涉及與形態(tài)發(fā)生相關(guān)基因無(wú)關(guān)的其他途徑或機(jī)制。

圖2 差異表達(dá)基因（DEGs）展現(xiàn)了來(lái)自正常皮膚、增生性瘢痕以及瘢痕疙瘩的成纖維細(xì)胞具有不同的形態(tài)發(fā)生特征。

接下來(lái)，為了研究損傷誘導(dǎo)的張力變化的作用及正常皮膚、增生性疤痕和瘢痕疙瘩成纖維細(xì)胞行為的影響，通過(guò)有限元方法模擬，分別呈現(xiàn)張力穩(wěn)態(tài)的原始狀態(tài)和張力穩(wěn)態(tài)被破壞的受傷狀態(tài)，可視化自然張力和損傷條件下的應(yīng)力分布，其中應(yīng)力等值線缺口模擬急性損傷，且傷口處過(guò)度張力被認(rèn)為可導(dǎo)致增生性瘢痕和瘢痕疙瘩這類異常瘢痕形成（圖 3a）。

與普遍認(rèn)為傷口處過(guò)度張力導(dǎo)致異常瘢痕形成的觀點(diǎn)不同，研究發(fā)現(xiàn)損傷附近多數(shù)區(qū)域最大主應(yīng)力降低，原始狀態(tài)平均主應(yīng)力值為 51.1 千帕，損傷模型下為 41.6 千帕。皮膚損傷區(qū)域附近張力顯著降低，盡管周邊有應(yīng)力集中效應(yīng)。標(biāo)記損傷模型應(yīng)力分布圖上三個(gè)位置研究發(fā)現(xiàn)（圖 3a），受傷狀態(tài)下這些位置最大主應(yīng)力相比原始狀態(tài)最多降低 94.0%，表明損傷處附近成纖維細(xì)胞力學(xué)環(huán)境巨變，且損傷時(shí)張力變化可引發(fā)成纖維細(xì)胞協(xié)調(diào)反應(yīng)。

張力完整性理論可解釋機(jī)械力對(duì)細(xì)胞生化系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，為描述相關(guān)協(xié)調(diào)現(xiàn)象引入分層張力完整性概念（圖 3b），其展現(xiàn)了從皮膚組織到細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞的張力完整性層級(jí)。自然張力下細(xì)胞能感知力學(xué)環(huán)境并形成穩(wěn)定張力完整性，經(jīng)機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)生物反應(yīng)；而當(dāng)損傷破壞力學(xué)環(huán)境時(shí)，細(xì)胞能感知細(xì)胞外基質(zhì)張力變化，調(diào)整自身張力完整性，引發(fā)不同生物反應(yīng)。

圖3 損傷誘導(dǎo)的張力變化通過(guò)誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞的增殖來(lái)啟動(dòng)傷口愈合過(guò)程。

為了進(jìn)一步研究正常皮膚來(lái)源的成纖維細(xì)胞增值與張力的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)通過(guò)有張力和無(wú)張力條件模擬皮膚自然張力和損傷后張力喪失情況，免疫熒光圖像顯示正常皮膚來(lái)源的成纖維細(xì)胞中，無(wú)張力時(shí) Ki67 陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)量多于有張力時(shí)，說(shuō)明張力抑制正常皮膚來(lái)源的成纖維細(xì)胞增殖（圖 3c ）。從反向邏輯看，點(diǎn)二列相關(guān)分析證實(shí)張力與增殖呈負(fù)相關(guān)，即受傷后組織張力降低可能使增殖增加，故損傷引起的張力變化可刺激成纖維細(xì)胞促進(jìn)傷口愈合，使其增殖增多。

量化了正常皮膚及其他類型瘢痕來(lái)源的成纖維細(xì)胞中 Ki67 陽(yáng)性細(xì)胞百分比（圖 3d），結(jié)果表明無(wú)張力時(shí)正常皮膚和增生性瘢痕來(lái)源的成纖維細(xì)胞中 Ki67 陽(yáng)性細(xì)胞比例顯著更高，而瘢痕疙瘩來(lái)源的成纖維細(xì)胞無(wú)論張力條件如何，增殖無(wú)差異且維持高水平。實(shí)驗(yàn)證實(shí)瘢痕疙瘩來(lái)源的成纖維細(xì)胞有過(guò)度增殖特點(diǎn)，但強(qiáng)調(diào)該發(fā)現(xiàn)具有情境特異性，過(guò)度增殖并非其在所有情況下或所有個(gè)體中的普遍特征。

RNA 測(cè)序發(fā)現(xiàn) HOX 基因在不同瘢痕類型中差異表達(dá)， 為了研究張力對(duì)這些基因的影響，在拉伸刺激后對(duì)選定的 HOX 基因（HOXA9 和 HOXC10） 進(jìn)行了實(shí)時(shí) qPCR 研究（圖 4a） 。雙向方差分析表明張力顯著影響正常皮膚成纖維細(xì)胞中這兩個(gè)基因的表達(dá)，無(wú)張力時(shí)基因下調(diào)。增生性瘢痕成纖維細(xì)胞有類似趨勢(shì)，但表達(dá)水平始終較高。瘢痕疙瘩成纖維細(xì)胞的 HOX 基因表達(dá)在有無(wú)張力下無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，與增殖趨勢(shì)相符。PBC 分析顯示，正常皮膚成纖維細(xì)胞中張力與 HOX 基因上調(diào)正相關(guān)；增生性瘢痕成纖維細(xì)胞雖有相同趨勢(shì)但反應(yīng)變異性大；瘢痕疙瘩成纖維細(xì)胞對(duì)張力不敏感，其 HOX 表達(dá)在不同張力狀態(tài)下無(wú)顯著差異。 對(duì)膠原蛋白合成基因 COL1A1 進(jìn)行 qPCR 檢測(cè)，已知膠原蛋白合成與成纖維細(xì)胞增殖負(fù)相關(guān)。結(jié)果顯示，無(wú)張力（促進(jìn)增殖）時(shí)，正常皮膚和增生性瘢痕來(lái)源的成纖維細(xì)胞中 COL1A1 基因表達(dá)水平下降，而瘢痕疙瘩來(lái)源的成纖維細(xì)胞對(duì)張力在該基因表達(dá)上無(wú)機(jī)械敏感性反應(yīng)。通過(guò) PBC 分析張力與 COL1A1 基因表達(dá)的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)正常皮膚成纖維細(xì)胞中有張力時(shí)該基因水平顯著更高，系數(shù)為正；增生性瘢痕成纖維細(xì)胞有張力時(shí)表達(dá)雖增加但無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；瘢痕疙瘩成纖維細(xì)胞對(duì)張力基本無(wú)反應(yīng)，體現(xiàn)其機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的內(nèi)在差異。

假設(shè)張力降低會(huì)增強(qiáng)正常皮膚成纖維細(xì)胞增殖，結(jié)合增殖與基因表達(dá)模式提出基于分層張力完整性對(duì)張力反應(yīng)的模型（圖 4b）。正常皮膚成纖維細(xì)胞在自然張力下維持穩(wěn)定張力完整性，HOX 基因作為位置身份標(biāo)記表達(dá)，細(xì)胞靜止時(shí)膠原蛋白合成基因表達(dá)上調(diào)。當(dāng)皮膚因損傷完整性受破壞，成纖維細(xì)胞感知張力變化，HOX 基因下調(diào)、膠原蛋白合成暫停，細(xì)胞得以增殖。增生性瘢痕成纖維細(xì)胞有相同機(jī)制但變異性大，致 PBC 值無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。瘢痕疙瘩成纖維細(xì)胞在張力下 HOX/COL1A1 基因表達(dá)變化小，與其過(guò)度增殖和張力不敏感表型相符。此外，瘢痕疙瘩成纖維細(xì)胞中 HOX 和 COL1A1 基因表達(dá)雖有相關(guān)性（圖 2d），但需進(jìn)一步研究確定直接功能聯(lián)系，因相關(guān)性不等于因果性。

圖4 張力與選定基因（HOXA9、HOXC10 以及 COL1A1）之間的正相關(guān)關(guān)系。

圖5 包含機(jī)械張力和遺傳效應(yīng)的新型傷口愈合模型以及疤痕形成情況。

總之，該研究為傷口愈合和疤痕形成的提供了新觀點(diǎn)，指出成功的傷口愈合需維持自然拉伸應(yīng)力的穩(wěn)態(tài)（圖5），且該張力穩(wěn)態(tài)與成纖維細(xì)胞中 HOX 基因表達(dá)緊密相關(guān)，強(qiáng)調(diào)了靶向機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和張力敏感的 HOX 基因表達(dá)作為異常疤痕預(yù)防和治療的治療策略的潛力。

參考文獻(xiàn)：Kang M, Ko UH, Oh EJ, Kim HM, Chung HY, Shin JH. Tension-sensitive HOX gene expression in fibroblasts for differential scar formation. J Transl Med. 2025 Feb 10;23(1):168. doi: 10.1186/s12967-025-06191-1. PMID: 39930512; PMCID: PMC11808978.

原文鏈接：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11808978/

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