Cell：皮肤伤口修复的必经之路：组织流动性的动态调控
来源：生物探索 2024-09-21 10:06
本研究通过开发新型动物模型和分析方法，阐述了皮肤伤口修复过程中，组织流动性的改变激活干细胞EGFR/AP1信号通路，从而增强干细胞增殖能力，补充细胞损失，提高伤口局部细胞浓度，从而完成修复。
皮肤表皮是一种高度分隔的组织，由毛囊 （hair follicles, HF）及其周围的毛囊间表皮 （interfollicular epidermis, IFE）组成。成熟的IFE由一层表达K14（keratin 14）的基底细胞（basal layer）和多层终末分化的上基底细胞层构成。正常生理条件下，表皮干细胞（stem cells, SCs）通过不对称自我更新方式生成新的SCs和具有分化潜能的前体细胞，维持着SCs增殖分化和外层细胞不断脱落的动态平衡。表皮作为与人体外界接触的第一道防线，出现损伤是无法避免的，所以，表皮内的SCs能够快速反应、增殖、修复并重新建立组织结构就显得尤为重要【1】。然而，由于缺乏合适的皮肤损伤模型，SCs在修复过程中是如何被激活、如何快速恢复细胞内稳态的研究进展缓慢，相关机制也并不清楚。
为了更好的研究SCs在皮肤损伤中的作用和调控机制，近日，来自比利时布鲁塞尔自由大学的Cedric Blanpain团队在Cell上发表了文章Dynamic regulation of tissue fluidity controls skin repair during wound healing，开发了一种能够特定损伤基底细胞层的动物模型，通过使用谱系示踪、共聚焦、活体成像、RNA测序等技术，对表皮伤口修复（wound healing）再生过程中SCs和组织的动态变化进行了探索。研究发现，基底细胞层损伤后，细胞数量下降，原本紧实类固态的（solid-like）稳定环境变得松散，细胞组织结构进行重新分布，这种类液态的（fluid-like）环境能够激活SCs内EGFR/AP1信号轴，使得干细胞进行快速增殖，迅速提高细胞浓度，进行再上皮化（re-epithelialization），恢复类固态稳定的环境。
IFE内SCs更新能力增强以促进表皮伤口修复
既往的皮肤损伤模型通常造成皮肤的大面积损伤，引起出血和严重的炎症反应，使得再生能力下降，并给干细胞动态研究增加很多变量，无法进行准确追踪。该研究使用K14rtTA/TetO-DTA x K14CREER/Rosa-confetti工程鼠，通过表皮涂抹doxyclycline（DOX）诱导基底细胞死亡，Tamoxifen（TAM）处理对基底细胞进行追踪。研究发现，该模型能够特定诱导基底细胞层的组织损伤，而不影响表皮整体结构和上层分化细胞稳态；损伤后1-4天内看到大量细胞增殖并在第4天达到峰值，之后逐渐降低直至11天重新回到稳态。通过克隆追踪和组织染色等方法对1-11天样本进行分析发现，组织再生过程伴随克隆数（clone size）的逐渐增多，相较于11天的对照组样本，平均基底克隆大小增大14倍，由此说明基底细胞死亡诱导干细胞由不对称分裂（asymmetrical division）到对称分裂（symmetrical division）的瞬时变化，从而实现克隆扩增。
表皮伤口修复中的动态变化描述: 组织流动性
通过动物实验研究人员发现，在皮肤再生过程中，细胞浓度和面积有很大的改变，猜测SCs的激活可能和局部细胞浓度、细胞间物理接触有一定相关性。由此，研究人员采用计算细胞空间变化和预测组织机制的Voronoi model【2】进行分析。研究首先假设这种动态变化是基于浓度改变的一种反馈机制: 即局部细胞浓度降低时，干细胞进入对称分裂复制过程直到达到原有稳态浓度，反之则进入不对称分裂，降低增值速度，产生分化细胞。通过计算模拟发现确实如此，细胞死亡后初期，细胞重编排能力增强，细胞分裂能力提高，提示基底层内存在组织流动性（fluidity）的动态变化。
接下来，研究人员将上述模型预测的结果在动物模型内进行进一步验证。组织流动性（tissue fluidity）【3】通常使用细胞重排率进行描述（degree of cellular rearrangements），这里用T1 transitions的频率（frequency of T1 transitions）为参数进行细胞重排率计算，T1 transition速率（rate）越高，组织内机械压力也就越大，组织结构就更偏向类液态环境（Figure 1A B）。通过对皮肤修复过程中不同时间点的组织进行分析后发现，修复早期T1 transitions升高，在第2天达到高峰，之后逐渐下降，11天恢复和control动物一致 （Figure 1D）。该研究证实在皮肤修复过程中存在组织流动性的动态变化，这种变化和SCs分裂相关。
Figure 1. T1 transition rate.（Credit: Cell）
表皮伤口修复过程的分子机制研究
接下来，研究人员对不同时间点的组织进行转录水平测序、单细胞水平和表观遗传分析发现，epiregulin表达、EGFR激活和Jun表达在细胞损伤后第2天开始上调，在第4天达到峰值，之后逐渐下调，这和之前观测到的动态变化保持一致。同时，研究人员在表皮损伤后使用ErbB家族抑制剂afatinib、MEK家族抑制剂trametinib和Jun家族AP1抑制剂T-5224对动物模型进行处理，结果显示这些抑制剂都能够抑制干细胞激活和扩增，加速损伤进程，由此证明EGFR/MARK/AP1信号轴在干细胞促进修复过程中的重要作用。
总的来说，本研究通过开发新型动物模型和分析方法，阐述了皮肤伤口修复过程中，组织流动性的改变激活干细胞EGFR/AP1信号通路，从而增强干细胞增殖能力，补充细胞损失，提高伤口局部细胞浓度，从而完成修复。该研究为研究皮肤干细胞功能和再生机制提供了新的思路。
模式图（Credit: Cell）
参考文献：
1. Dekoninck,S., andBlanpain, C.(2019).Stemcelldynamics, migrationand plasticity during wound healing. Nat. Cell Biol. 21, 18–24.
2. Alt, S., Ganguly, P., and Salbreux, G. (2017). Vertex models: from cell me chanics to tissue morphogenesis. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 372, 20150520.
3. Hannezo,E., andHeisenberg, C.-P. (2022). Rigidity transitions in develop ment anddisease. Trends Cell Biol. 32, 433–444.
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