机械应力对皮肤细胞生物学特性的影响

谭　芹　彭琬苏　谭　城

·综述·

机械应力对皮肤细胞生物学特性的影响

谭芹彭琬苏谭城

皮肤含角质形成细胞、真皮成纤维细胞、黑素细胞等，机械应力作用可影响细胞形态、增殖、分化、迁移、内分泌等。该作用受机械应力种类、大小及时间长短和效应细胞所处细胞外基质等微环境的影响。机械应力作用影响皮肤伤口愈合、疤痕增生、色素沉着等一系列生理病理过程。

机械应力； 角质形成细胞； 皮肤成纤维细胞； 黑素细胞

细胞能感受机械应力，以细胞骨架、离子通道、细胞外基质等作为最主要感受器及传导器，将其转化为级联生物分子反应。受机械应力影响，细胞骨架变构，细胞膜上包括整合素在内的多种膜蛋白将重新构象，并且在其功能发生相应改变后将胞外物理信号转入胞内，级联激活下游生物学信号通路：钙依赖信号通路（calcium dependent Pathways）、一氧化氮（NO）信号通路、丝裂原活化蛋白激酶（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］。机械应力在细胞膜相位能调节钙离子通道、瞬时受体电位（Transient receptor potential，TRP）通道、连接蛋白和Piezos蛋白等多种机械敏感离子通道开阖，进一步调节第二信使分子-Ca2+等离子在胞内浓度，进而间接调节多种关键酶活性［3］。此外机械应力效应细胞所处细胞外基质等微环境也影响此作用，参与细胞黏附的分子如生长因子受体、β-连接蛋白和Yes关联蛋白（Yes-associated protein，YAP）等都参与机械应力感受及传导。

周期性应力、剪切力、牵拉力、压力、膨胀扩张等机械应力刺激影响多种细胞增殖、分化、细胞形态和迁移。目前机械应力对上述作用研究主要集中在内皮细胞、平滑肌细胞和成骨细胞。皮肤含角质形成细胞、皮肤成纤维细胞、黑素细胞等，因处人身最外而易受机械应力作用。且临床上机械应力影响皮肤伤口愈合、疤痕增生、色素沉着等一系列生理病理过程。本文就机械应力对皮肤中角质形成细胞等生物学特征的影响综述如下。

1　机械应力与角质形成细胞

角质形成细胞（keratinocyte，KC）是表皮中最主要的细胞之一，也是皮肤发挥物理屏障功能细胞基础。机械应力可影响其增殖、分化、迁移、细胞形态和自分泌等功能，且不同种类机械应力所影响功能的种类及程度也不尽相同。Yano等［4］以20%（硅胶长度延长20%）牵拉力持续性牵拉可调节硅胶器皿中KC 24 h后，其增殖率是空白组2倍左右。Takei等［5］周期性牵拉（10转/min，150 mmHg）KC后其增殖率和DNA合成率分别为49.2%、37.7%，明显高于未牵拉组，且周期性牵拉后增殖率明显高于持续牵拉组。但Nishimura等发现，高频率持续性牵拉（10转/min，10%）促KC增殖，而间歇性牵拉（每牵拉5min间隔2 min，10%）48 h后，其增殖率开始下降［6］。机械牵拉影响KC增殖、分化受丝裂原活化蛋白激酶（mitogenactivated protein kinases，MAPKs）信号调节。机械牵拉最终能磷酸化KC内细胞外信号调节激酶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）或应激活化蛋白激酶（stress-activated protein kinase，SAPK），1h后达峰，然后激活转录激活因子1（transcription activitor，AP-1）发挥调节KC增殖、分化［4，7］。

机械应力还能影响KC迁移。Lu等机械牵拉（20%，48 h）KC发现，KC沿牵拉力横轴方向迁移，两侧迁移不对称，含成纤维细胞基质组迁移力增强? Boyden小室迁移实验结果表明KC迁移率由下向上者较由上向下迁移增高（1.49±0.04 vs 1.06±0.05，P< 0.01），无纤维细胞基质组迁移力低下。这表明：成纤维细胞所分泌的I型胶原具有协同促进机械牵拉促KC趋化运动作用。机械应力也影响KC形态，其外形长轴与机械应力力矩方向一致［8］。KC主要合成I型和II型角蛋白。受机械应力刺激，KC在上调激活标记物角蛋白6（K6）表达同时抑制KC分化标记性角蛋白10（K10）的表达。白介素-1（IL-1）是免疫应答主要调节分子之一，在表皮内主要由KC分泌。Takei及Lee等团队发现，大于10%的周期性牵拉KC后，IL-1α或/和IL-1β表达升高［9，10］。Kurita等研究表明内皮素-1（ET-1）在周期性应力刺激下（10%，60转/分，24 h）其表达明显增强，这可能与摩擦后间接诱发色素沉着有关［8］。

2　机械应力与皮肤成纤维细胞

皮肤成纤维细胞（fibroblast，FB）是真皮主要细胞组份，通过所分泌的无定形基质、多种细胞因子对皮肤起营养、支持及免疫调节作用。与KC一样，皮肤FB受机械应力刺激后也发生细胞形态重构。

张歌等［11］对原代培养皮肤FB持续48 h施力拉伸30%后，其细胞数明显高于未牵拉组，流式细胞仪检测结果示，施力组进入S期细胞数明显高于未牵拉组。舒国茂等［12，13］以单次40%持续牵拉皮肤FB后，细胞增殖细胞核抗原（PCNA）表达增强，且处S期FB细胞率增高，表明持续牵拉能促进FB增殖。机械应力能促使皮肤FB以自分泌bFGF、TGFβ1方式促进自身增殖。α平滑肌激动蛋白是皮肤FB分化为肌成纤维细胞的过程中标志性分子。Rolin等［14］机械牵拉（10%，1 Hz）皮肤FB 24 h后，α平滑肌激动蛋白表达明显增高，表明机械牵拉能促使皮肤FB分化为肌成纤维细胞。Huang等［15］以周期性应力（10转/min，24 h）干预皮肤FB后未观察到其促增殖作用，但牵拉组皮肤FB平均以8.48 nm/s的速度迁移了7.76μm，迁移距离明显远于对照组，表明机械应力能促进皮肤FB迁移。

Grymes等［16］以周期性应力（20%，6.67次/分）牵拉弹性膜培养系统上皮肤FB后，原本杂乱排列的皮肤FB变得井然有序。皮肤FB在机械应力作用下，细胞沿牵拉力力矩垂直方向整齐排列［15］。

合成细胞外基质是FB的主要生理功能。Rolin等以延长度为10%，频率为1 Hz参数机械牵拉皮肤FB后，其I型前胶原蛋白和组织金属蛋白酶抑制物合成增加，而基质金属蛋白酶-1（MMP-1）合成下降。已知MMP-1可以降解I型胶原，组织金属蛋白酶抑制物拮抗上述作用，故机械牵拉与MMP活性密切相关。机械牵拉能上调皮肤FB I型胶原mRNA表达［17］。此外，机械应力还可促进皮肤FB以自分泌或旁分泌bFGF、TGFβ1途径，参与细胞外基质相关生理及病理反应［12］。

3　机械应力与黑素细胞

机械应力对黑素细胞（melanocyte，MC）功能影响的研究较少。机械牵拉虽然可以引起MC增殖，但其促增殖作用不如对KC影响显著［5，7，18］。Kippenberger等［18］周期性机械牵拉（10%，4 d）MC后，牵拉组MC增殖率较未牵拉组高出40%，热休克蛋白90（HSP90）和其mRNA成倍增加，他们因此认为HSP90表达增强与机械牵拉所致促MC增殖作用密切相关。由于机械牵拉促进黑素细胞增殖过程，常伴有ERK1/ 2和SAPK/JNK信号分子的激活，所以他们推测MAPK信号通路的激活是机械牵拉促MC增殖的关键信号通路之一［7］。目前，体外实验表明机械应力能促进MC合成黑素，这也可能是由于ERK1/2激活后磷酸化MITF蛋白，从而酪氨酸酶等相关黑素合成酶蛋白的表达增加。这可能是皮肤扩张器所致局部色素沉着的主要原因之一［19］。

角质形成细胞、皮肤成纤维细胞和黑素细胞受机械应力作用产生不同的生物学功能改变，除了所受机械应力种类、大小和作用时间外，机械应力效应细胞所处细胞外基质等微环境也影响此作用。该领域研究成果将为合理阐述皮肤扩张、创伤修复、疤痕增生、色素沉着等病理生理过程及相应临床难点突破奠定良好的理论及应用基础。

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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

国家自然科学基金（编号：81173400）

南京中医药大学附属医院，南京，210029

谭城，E-mail：tancheng@medmail.com.cn