Tension-sensitive HOX gene expression in fibroblasts for differential scar formation

Keywords: Scar formation, Hypertrophic scar; Keloid; Wound healing; Tension; Tension change; Tensional homeostasis; HOX genes; Postnatal morphogenesis.

傷口愈合是生物體中持續(xù)發(fā)生的復(fù)雜過程，屬于組織穩(wěn)態(tài)的一部分，通過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。

傷口愈合時(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)的過程，機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)不足會(huì)導(dǎo)致病理性傷口愈合（過度愈合或愈合不足）。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)通過檢查HOX 基因響應(yīng)來自正常皮膚、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 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)不同類型瘢痕來源的成纖維細(xì)胞的差異基因進(jìn)行分析。通過特定閾值篩選出了 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， 說明這些基因可區(qū)分不同瘢痕來源的成纖維細(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)來源中具有一致性。

層次聚類分析發(fā)現(xiàn)增生性瘢痕來源的成纖維細(xì)胞與瘢痕疙瘩來源的成纖維細(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)過程與增生性瘢痕來源成纖維細(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程中任何一個(gè)的影響，從這些過程的總基因計(jì)數(shù)比增生性瘢痕來源的成纖維細(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。瘢痕疙瘩來源成纖維細(xì)胞雖無顯著形態(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，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)的張力變化通過誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞的增殖來啟動(dòng)傷口愈合過程。

為了進(jìn)一步研究正常皮膚來源的成纖維細(xì)胞增值與張力的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)通過有張力和無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源的成纖維細(xì)胞中，無張力時(shí) Ki67 陽性細(xì)胞數(shù)量多于有張力時(shí)，說明張力抑制正常皮膚來源的成纖維細(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或可刺激成纖維細(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源的成纖維細(xì)胞中 Ki67 陽性細(xì)胞百分比（圖 3d），結(jié)果表明無張力時(shí)正常皮膚和增生性瘢痕來源的成纖維細(xì)胞中 Ki67 陽性細(xì)胞比例顯著更高，而瘢痕疙瘩來源的成纖維細(xì)胞無論張力條件如何，增殖無差異且維持高水平。實(shí)驗(yàn)證實(shí)瘢痕疙瘩來源的成纖維細(xì)胞有過度增殖特點(diǎn)，但強(qiáng)調(diào)該發(fā)現(xiàn)具有情境特異性，過度增殖并非其在所有情況下或所有個(gè)體中的普遍特征。

最后，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)在有無張力下無統(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，無張力（促進(jìn)增殖）時(shí)，正常皮膚和增生性瘢痕來源的成纖維細(xì)胞中 COL1A1 基因表達(dá)水平下降，而瘢痕疙瘩來源的成纖維細(xì)胞對(duì)張力在該基因表達(dá)上無機(jī)械敏感性反應(yīng)。通過 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://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39930512/

Impact Factor: 6.1

ISSN: 1479-5876

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