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Science:阻止成纤维细胞的Engrailed-1基因激活可使皮肤伤口愈合而不留下疤痕

来源:本站原创 2021-04-23 07:42

2021年4月23日讯/生物谷BIOON/---皮肤伤口一般通过形成疤痕来愈合,这是一种由表达Engrailed-1(En1)基因的成纤维细胞谱系介导的纤维化过程。疤痕在三个方面与正常未受伤的皮肤不同:(i) 它们缺乏毛囊、皮脂腺和其他真皮附属物(dermal appendage);(ii) 它们含有密集的、平行的细胞外基质纤维,而不是未受伤皮肤的“篮筐编织(basket-weave)”模式;(iii) 由于这种基质结构的改变,它们缺乏皮肤的正常弹性和强度。一种成功的疤痕疗法将通过促进真皮附属物的重新生长、正常的基质超微结构的重建和机械强度的恢复来解决这三个差异。然而,人们对阻碍出生后皮肤再生性愈合反应的细胞和分子机制知之甚少,也不知道是否可以通过调节特定的成纤维细胞谱系来绕过这些机制。

在一项新的研究中,来自美国斯坦福大学医学院的研究人员想要了解疤痕成纤维细胞(scarring fibroblast, ,也称为瘢痕成纤维细胞)是否纯粹来自于未受伤皮肤中现有的En1阳性成纤维细胞的扩增,或者En1阳性疤痕成纤维细胞是否可以通过激活出生后的En1阴性成纤维细胞在伤口微环境(wound niche)中的En1表达而从新产生。相关研究结果发表在2021年4月23日的Science期刊上,论文标题为“Preventing Engrailed-1 activation in fibroblasts yields wound regeneration without scarring”。


这些作者使用成纤维细胞移植以及转基因小鼠模型来追踪En1在空间时间上的表达。他们研究了成纤维细胞对体外和体内机械力的反应,以建立一种将皮肤张力与出生后的En1表达联系起来的机械传导机制。接着,他们用化学方法(通过使用维替泊芬)和转基因方法[利用白喉毒素剔除表达En1的成纤维细胞,通过将编码YAP的DNA序列放入两个loxP位点之间实现YAP基因敲除]抑制机械传导信号来调节伤口愈合期间的En1表达。他们通过RNA测序、定量组织病理学比较(使用自定义图像处理算法)和机械强度测试,将实验性伤口与未受伤的皮肤和疤痕(使用磷酸盐缓冲盐水作为对照)进行比较。

成纤维细胞移植和谱系追踪研究显示,网状真皮层的En1阴性成纤维细胞(ENF)在伤口微环境中激活En1,产生了大约40%~50%的疤痕成纤维细胞。这一现象取决于机械线索:在软基质上培养的ENF细胞或用机械信号蛋白(比如YAP)的化学抑制剂处理的ENF细胞不会激活En1。通过RNA测序对表达En1的ENF细胞和用短发夹RNA(shRNA)进行En1敲降的ENF细胞进行比较,结果表明En1调节一系列与皮肤纤维化有关的基因。


皮肤成纤维细胞中的Engrailed-1激活导致疤痕形成,图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.aba2374。

在愈合的伤口中,通过维替泊芬(verteporfin)抑制YAP,阻断En1激活,可促进ENF细胞介导的修复,在30天内实现皮肤再生,并伴随功能性毛囊和皮脂腺的恢复。对疤痕和再生皮肤的定量比较表明,YAP抑制诱导恢复正常的真皮超微结构,进而使得正常的机械断裂强度得到恢复。白喉毒素介导的出生后表达En1的成纤维细胞的剔除和针对成纤维细胞的转基因YAP敲除同样促进了正常皮肤结构的恢复,这表明对En1激活的调控,无论是直接方式还是间接方式,都能导致伤口再生。

综上所述,通过揭示物理刺激如何引起ENF细胞促进皮肤纤维化,这些作者确定了YAP和En1是预防疤痕的潜在分子靶点。此外,他们发现,抑制YAP信号可以防止En1在伤口愈合过程中的激活,从而促进ENF细胞介导的伤口修复而不发生皮肤纤维化,在此过程中还会再生毛囊和皮脂腺。这些研究结果表明,如果可以阻断机械驱动的皮肤纤维化倾向,出生后哺乳动物皮肤中残留的ENF细胞仍有能力实现皮肤再生。他们证实出生后哺乳动物的皮肤伤口可完全实现再生性愈合,而不会留下疤痕。这一发现对每年数以千万计出现疤痕和其他纤维化的患者具有临床转化方面的意义。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Shamik Mascharak et al. Preventing Engrailed-1 activation in fibroblasts yields wound regeneration without scarring. Science, 2021, doi:10.1126/science.aba2374.

Piotr Konieczny et al. Healing without scarring. Science, 2021, doi:10.1126/science.abi5770.

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