Nature “皮肤扩张术”背后的秘密丨生命医学前沿 NO.10
为了修复大面积皮肤缺陷、消除疤痕或进行乳房再造，60多年来外科医生都会通过在皮肤内植入扩张器来产生额外的皮肤。其原理是利用皮肤在拉伸力的作用下会发生扩张。然而在此过程中，机械力如何影响皮肤细胞在体内的行为尚不明确。
本周给大家介绍的是 2020 年 7月在顶级期刊 Nature上发表的论文“Mechanisms of stretch-mediated skin expansion at single-cell resolution”。该研究在单细胞水平揭示了“皮肤扩张术”背后的秘密——拉伸调控皮肤扩张的机制。
Mariaceleste Aragona 博士
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Cédric Blanpain博士
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https://www.vibconferences.be/speaker/cedric-blanpain
第一作者Mariaceleste Aragona 博士和通讯作者Cédric Blanpain博士均来自比利时布鲁塞尔自由大学。他们团队研究的重点是上皮干细胞在发育、体内稳态和癌症中的作用。他们在表皮、前列腺和乳腺中均发现了新的干细胞和祖细胞种群，并确定了不同组织中的癌细胞起源。本研究是与英国剑桥大学等单位合作完成。
机械力可通过改变细胞骨架、细胞间粘附以及通过与细胞外基质的相互作用，影响细胞塑造组织结构的过程。细胞则通过激活不同的信号通路来感知和响应机械力的作用。这种机械转导过程最终会导致细胞形状、基因表达和细胞命运发生改变。然而，其背后的潜在机制仍不清楚。
图片来源：Pamplona D C, et al. Skin Research and Technology. 2014
皮肤是对抗环境的第一道屏障，为了抵抗物理性的伤害，皮肤必须及时调整其形状和大小。在拉伸力的作用下皮肤会发生扩张，这一特点已经在整形手术中得到广泛应用。例如，先天性巨痣切除手术，外科医生常常在痣的周边埋入扩张器，然后向扩张器中注水，这样可以达到扩张组织、增大皮肤面积的目的，从而有利于皮瓣移植，促进患者术后恢复。目前存在的皮肤扩张器多为具有不同形状不同体积的硅胶袋，可植入不同部位的皮下。
图片来源：Kim MJ, et al. Arch Plast Surg. 2020
在皮肤扩张的过程中，必然会产生额外的细胞。那么问题来了：所有的增殖细胞对拉伸的反应都一样吗？还是不同亚群的细胞存在不同的反应?机械感知是如何与基因转录相联系的？哪些转录因子能够传递机械压力来调控皮肤扩张?
为了研究拉伸诱导皮肤扩张的机制，研究者首先将一种可自行膨胀的凝胶植入小鼠皮下，模拟在人体中的使用过程。水凝胶装置在植入后可迅速发生膨胀，一天后即可达到最大体积，四天达到稳定值。通过检测发现，表皮中粘附分子α-Catenin的张力敏感性表位（a18）表达明显增加，同时角蛋白Krt1、Krt10阳性细胞数量也明显增加。这表明随着表皮的增加，干细胞分裂有瞬时增加，同时也促进了干细胞的分化。
图片来源：Mariaceleste Aragona, et al. Nature. 2020
为了进一步研究在拉伸诱导的皮肤扩张过程中表皮细胞的动态命运，研究人员运用基因工程的方法构建了荧光小鼠模型，使表达Krt14的表皮干细胞带上荧光。通过对这些干细胞进行谱系追踪，并对基底细胞克隆的大小及数量进行检测，结果发现起源于同一个干细胞（称为基底细胞克隆）的细胞数量往往是偶数，这种倾向在拉伸时更加明显。研究者由此提出了双祖细胞模型：其中一个致力于干细胞的自我更新，而另一个则致力于分化。而在拉伸条件下，Krt14阳性的表皮干细胞数量是增加的，提示拉伸改变了更新和分化的平衡，会产生更多数量的干细胞。
图片来源：Mariaceleste Aragona, et al. Nature. 2020
接下来，研究者通过流式细胞分选对基底干细胞进行了富集。对富集后的干细胞进行转录组和染色质分析发现，拉伸导致的皮肤扩张受到EGFR–Ras–MAPK信号通路调节，随后激活转录因子JUN和FOS、表皮干细胞再生相关转录因子如P63、以及分化相关转录因子如CEBP、KLF4、GRHL2等，保证在维持皮肤的屏障功能的同时使皮肤发生扩张。
为了评估是否所有的基底细胞对拉伸的反应都是一致的，他们对上述富集的干细胞进行单细胞RNA测序，结果发现仅有一小群基底细胞对机械应激作出反应。在拉伸组和对照组均存在一条轨迹，即从未分化的基底干细胞出发，通过前体细胞阶段，最后终止于分化细胞。然而在拉伸第一天的样品中，他们还发现了另一条分化轨迹，提示这些细胞对于机械力存在不同反应。从而证明，干细胞对于拉伸会做出快速而显著的反应。
最后，研究者们利用基因敲除小鼠模型，发现拉伸可通过改变细胞的肌动球蛋白细胞骨架，促进下游的机械转导因子YAP、TAZ和MAL进入细胞核。这些蛋白质随后协调转录程序，促进皮肤生长和屏障形成。
综上，本研究发现拉伸力最初仅被一小部分表皮干细胞感知，并通过细胞骨架的重组和基因表达的改变，协调干细胞的更新和分化，从而适应机械力。这种反应保证了皮肤在扩张的同时能保持其增殖和屏障功能。
德国科隆大学衰老研究所Carien M. Niessen教授等对此项研究发表评论“Stretch exercises for stem cells expand the skin”，指出此项研究有助于人们理解机械力如何在生物体的单细胞水平上发挥作用，这些结果应当鼓励其他研究者利用机械信号进一步生成额外皮肤，这不仅可用于重建手术，也可应用于其他与损伤修复相关的疾病。
1.发现表皮干细胞的可塑性和弹性，首次揭示了皮肤在拉伸时进行扩张的机制。
2.提出表皮基底细胞克隆的双祖细胞模型学说。
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2555-7
[1].Pamplona DC, et al. Optimization of the use of skin expanders. Skin Res Technol. 2014 Nov;20(4):463-72. [2].Kim MJ, et al. Multifactorial analysis of the surgical outcomes of giant congenital melanocytic nevi: Single versus serial tissue expansion. Arch Plast Surg. 2020 Nov;47(6):551-558. [3.]Aragona M, et al. Mechanisms of stretch-mediated skin expansion at single-cell resolution. Nature. 2020 Aug;584(7820):268-273. [4].Rübsam M, et al. Stretch exercises for stem cells expand the skin. Nature. 2020 Aug;584(7820):196-198.
周沪程 刘莉萍
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编辑：DOPA
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