Wnt/β-catenin信号通路在慢性难愈创面修复中的作用研究进展

韦柳叶,唐婷,黄金梅,唐乾利

(1. 广西中医药大学研究生院,广西 南宁 530001;2. 右江民族医学院附属医院,广西 百色 533000;3. 右江民族医学院/广西高校桂西地区高发病防治研究重点实验室,广西 百色 533000)

临床上将经规范治疗1个月或以上仍未愈合或无明显愈合倾向的创面称为慢性难愈创面[1]。该疾病以慢性炎症为特点,其发病机制复杂,主要由创伤性感染、压力性损伤、代谢性疾病、恶性肿瘤等引起,涉及病种包括下肢静脉血管炎性溃疡、肢体畸形、压疮、糖尿病足溃疡等。因其具有发病机制复杂、涉及人群广泛、治疗周期较长、创面缠绵难愈、日常护理难度大、医疗费用昂贵等多种问题,不但影响患者个人的生活质量,同时也为家庭、社会及医疗系统带来沉重的负担[2-3]。

创面的愈合是一个高度专业化的动态多阶段过程,通过一系列复杂的机制修复受损组织,创面愈合过程中任意一环节的异常都会导致瘢痕的增生或发展为更易感染的慢性难愈合状态。尽管当下各种治疗方案不断更新和发展,但慢性难愈合创面的临床评估和治疗仍然具有挑战性。近年来,通过干预细胞信号转导通路探究慢性难愈合创面的修复机制已成为研究的热点话题,细胞信号转导通路是机体内错综复杂的、各个环节相互影响的一系列过程,机体内的生理性、病理性刺激等都需要经过细胞信号转导通路之间的信息连锁反应进行调节。创面修复中的细胞增殖、分化、迁移和凋亡等都是细胞信号转导通路调控的结果,典型的Wnt/β-catenin途径涉及一系列生物活动,包括细胞增殖、分化和凋亡,是皮肤组织创伤修复的关键途径之一[4],因此本文就经典Wnt/β-catenin信号转导通路的研究,综述慢性难愈创面的部分修复机制,为该疾病的细胞分子研究及临床用药提供理论依据。

1 Wnt/β-catenin信号通路概述

Wnt基因最初来源于小鼠乳腺癌整合酶-1和果蝇无翅基因,由于这两个基因和功能蛋白相似,研究人员将这两个术语合并为Wnt基因[5]。Wnt蛋白在多细胞生物发育过程中均有表达,与大多数哺乳动物基因组一样,人类基因组含有19种不同的Wnt基因,其长度约为350～400个氨基酸。Wnt信号通路包括非经典通路和经典通路,非经典Wnt通路包括Wnt/Ca2+通路和非经典Wnt-平面细胞极性通路(Wnt-PCP);经典的Wnt通路,也称为Wnt/β-catenin通路,涉及β-catenin-T细胞因子/淋巴增强因子结合因子(T-cell factor/lymphoid enhancing factor,TCF/LEF),β-catenin是经典Wnt信号传导通路的关键调节因子[6-7]。经典Wnt/β-catenin通路由4个部分组成:细胞外信号、膜段、细胞质段和核段。细胞外信号主要由Wnt蛋白介导,包括Wnt1、Wnt3a和Wnt5a;细胞膜段主要包含Wnt受体卷曲蛋白(frizled,FZD)和低密度脂蛋白相关受体(lipoprotein-related receptor protein 5/6,LRP5/6);细胞质段主要包括β-catenin、胞质衔接蛋白(dishevelled,DVL)、糖原合成酶激酶(GSK-3β)、轴抑制蛋白1(Axin1)、大肠腺瘤性息肉病(APC)和酪蛋白激酶1(CK1);核段主要包括易位到细胞核的β-catenin、TCF/LEF家族成员和β-catentin下游靶基因,如MMPs和c-Myc[8]。Wnt/β-catenin途径的特征是Wnt与其核心受体复合物(由LRP5或LRP6组成)和FZD蛋白家族的10个成员结合,在没有Wnt配体的稳定状态下,细胞质β-catenin被GSK3β、CK1、Axin和APC组成的复合物磷酸化[9]。在静息状态下,Axin是一种支持与GSK3β和APC形成复合物的物质,一旦进入复合物,GSK3β促进细胞质中β-catenin的磷酸化,APC介导磷酸化的β-catenin与细胞质中泛素介导的蛋白水解途径的结合。在Wnt蛋白配体存在的情况下,Wnt结合其核心受体复合体,通过招募胞浆(Dvl)蛋白并阻断或破坏Axin/GSK3/APC复合体的形成来激活Wnt信号转导,从而抑制β-catenin的降解,导致β-catenin在细胞质中积聚,然后累积的细胞质β-catenin转位到细胞核,并与TCF/LEF结合,启动Wnt靶基因的表达[10]。

Wnt是皮肤发育过程中最早出现的分子信号,β-catenin是经典Wnt信号传导的关键调节因子,经典Wnt/β-catenin途径是皮肤损伤修复过程中最重要的信号转导通路之一,在一些哺乳动物组织的自我更新中起着重要作用,对包括细胞增殖、分化和组织稳态等发育过程至关重要[11]。此外,Wnt信号通路与细胞代谢和再生、毛囊更新、皮肤创面修复密切相关,经典Wnt/β-catenin信号通路高度参与创面的修复,可以决定细胞增殖、细胞存活和分化[12-13]。

2 Wnt信号通路在慢性难愈创面修复中的作用

2.1抑制炎症反应 炎症是伤口修复的第一阶段,但不良的炎症反应可能触发有害因素的增加,尤其是细菌对创面组织的破坏,可影响创面的愈合进程。慢性炎症是慢性难愈合创面的主要特点,Wnt/β-catenin信号通路高度参与促炎细胞的调节,传统的炎性细胞因子和Wnt因子控制哺乳动物组织修复和再生的细胞和分子水平[14]。吕晓玉等[15]通过对糖尿病创面的研究,发现当Wnt1、β-catenin高表达时,创面中的TNF-α、IL-6等促炎细胞减少,而Wnt1、β-catenin低表达时,促炎细胞增多,表明激活Wnt/β-catenin信号通路能够在一定程度上减少炎症反应。于泽洋等[16]的实验研究通过上调Wnt及β-catenin mRNA和蛋白的表达,可减少大鼠Ⅲ期压疮溃疡的炎症反应,减轻炎性浸润,促进创面修复。说明Wnt/β-catenin信号通路中Wnt1、β-catenin等特异性分子的高表达能够在一定程度上抑制创面组织中的炎症细胞增长,减轻炎症反应。

2.2促进表皮干细胞的增殖 β-catenin蛋白可增强成纤维细胞、表皮干细胞等相关细胞的增殖、分化,而GSK-3β对Wnt信号通路起负调控作用[17]。刘宏东等[18]通过检测不同Wagner分级糖尿病足溃疡患者的β-catenin、GSK-3β表达,结果显示Wagner分级与β-catenin水平成负相关,与GSK-3β水平成正相关,认为激活或增强Wnt/β-catenin信号通路可能对糖尿病足溃疡愈合有利。仇莲胤等[19]研究糖尿病大鼠创面组织发现,未行干预治疗的糖尿病大鼠创面模型中Wnt/β-catenin、Cyclin D1、C-myc蛋白表达较正常组织下降,创面中表皮干细胞数量明显减少,且细胞增殖能力减弱;在对糖尿病大鼠创面进行药物治疗后,创面组织中的Wnt1、Wnt3a、β-catenin mRNA水平较模型组明显上升,β-catenin与β-catenin核内表达水平增加,GSK-3β蛋白表达下降,下游靶基因C-myc、Cyclin D1蛋白表达较模型组上升,K19、β1整合素、PCNA阳性表达较模型组明显增强,说明通过激活Wnt/β-catenin信号通路,上调Wnt1、Wnt3a、β-catenin等在靶细胞中的表达能够促进表皮干细胞的增殖分化。

2.3影响毛囊干细胞的增殖、分化和迁移 研究表明毛囊干细胞在修复受损创面、恢复皮肤组织的完整性和功能性等方面具有重要作用[20],尽管成年毛囊的丢失被认为是永久性的,但研究发现大鼠的全层切除伤口可以通过毛囊的再生而愈合,这一过程需要Wnt/β-catenin信号的参与[21],高水平活化的β-catenin能够显著促进胚胎干细胞(embryonic stem cell,ESC)分化为毛囊形态,抑制β-catenin下游蛋白c-Myc能显著抑制生长期毛囊的发育,而c-Myc激活促进了毛发生长[22]。申倩等[23]研究发现,在创面修复早期通过上调β-catenin、LEF1和C-myc的表达能够促进毛囊干细胞的增殖分化,促进创面修复;而杜烨等[24]的研究也证实Wnt/β-catenin信号转导通路在创面组织和毛囊的再生微环境中起着重要作用,同时有研究表明[25],Wnt3a在毛囊基质细胞中广泛表达,当Wnt3a表达减少时,会导致毛发收缩。综上说明Wnt/β-catenin信号转导通路的调控能够影响毛囊干细胞的增殖。

2.4促进血管再生和肉芽组织的生长 新生的毛细血管极大地改变创面的微循环,促进创面新陈代谢,为创面组织的修复提供丰富的营养物质和氧气;在创面修复过程中,肉芽组织的形成可直接影响创面的愈合和预后,而肉芽组织的本质为丰富的成纤维细胞和大量的新生毛细血管[26]。血管生成需要许多细胞外和细胞内信号的共同调节,Wnt/β-catenin信号通路是协调内皮细胞行为以控制血管形态发生的关键调节系统之一[27-28]。各种Wnt配体可作为短程旁分泌信号介导血管内皮细胞功能和稳态等诸多方面,雷霆等[29]通过明胶/白芨胶-三七多孔材料调控Wnt/β-catenin信号通路的研究,证实Wnt/β-catenin通路中β-catenin、Rspo3 mRNA的上调和GSK-3β mRNA的下调表达可以促进糖尿病模型大鼠溃疡创面上的血管生成、肉芽组织生长和胶原纤维沉积,从而加速糖尿病溃疡创面的愈合。内皮细胞和平滑肌细胞是血管重建的重要因素,激活Wnt/β-catenin通路可促进内皮细胞与平滑肌细胞形成与分化[30],曹华平等[31]的实验研究发现Wnt3a蛋白的应用能够促进伤口肉芽组织的再生与成熟,显著缩短创面愈合时间。有研究[32]进一步证实Wnt3a能够促进内皮细胞的增殖、迁移、分化和存活。此外,Wnt1能够增加内皮细胞和毛细血管稳定性,Wnt2在内皮细胞分化和小管形成中具有重要作用[33-34]。综上,说明Wnt/β-catenin信号通路能够在一定程度上促进血管再生和肉芽组织的生长。

3 小结与展望

基于Wnt/β-catenin信号通路促进细胞增殖、分化与迁移等生物学功能,其与慢性难愈合创面的修复具有密切的联系,可通过对创面组织的多种细胞(成纤维细胞、毛囊干细胞、平滑肌细胞、表皮干细胞等),多种细胞因子(TNF-α、IL-6等),多个过程(炎症反应、血管再生、细胞增殖、分化与迁移等)的调控来促进创面愈合。本文通过对Wnt/β-catenin信号通路的多方向、多角度研究,阐明了该信号通路在创面修复中的部分机制,了解Wnt/β-catenin在慢性难愈创面发生和发展中的具体作用,有助于指导小分子药物的准确使用,以最大限度地提高其疗效并使更多患者受益,为临床药物研制及应用提供了新的思路。但各细胞信号转导通路之间相互交汇、信号的转导过程可能会引起连锁反应,因而在慢性创面药物研究中应多靶点、多通路深入,为慢性难愈创面提供综合全面的理论探究。