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.

伤口愈合是生物体中持续发生的复杂过程，属于组织稳态的一部分，通过新组织替换受损组织，最终形成由活化成纤维细胞排列的胶原纤维构成的无功能纤维化疤痕。成纤维细胞是伤口愈合的关键细胞，愈合过程分为止血、炎症、增殖和组织重塑四个阶段，炎症期成纤维细胞趋化迁移至伤口，随后增殖，再到组织重塑期，部分成纤维细胞分化为肌成纤维细胞，促进组织收缩。

伤口愈合时部分人会出现增生性疤痕或瘢痕疙瘩这类异常瘢痕，影响患者身心。二者都有过多胶原蛋白的变色皮肤挤压物，但严重程度不同，增生性疤痕不超出原始伤口边界且增厚凸起，瘢痕疙瘩会扩散到周围伤口边缘。二者常具相似生长和组织学特征，多数人认为瘢痕疙瘩是独特临床实体，也有观点认为它们是相同炎症性纤维增生性疾病的不同表现，其形成受遗传、局部和生活方式等多种因素影响，了解这些因素对预防和治疗很关键。

异常疤痕形成的关键因素为遗传易感性和机械力。遗传方面，Rinkevich 等人发现瘢痕内成纤维细胞具有异质性，存在不同分子谱和纤维化潜力的成纤维细胞谱系，且瘢痕疙瘩易在遗传易感个体中出现，如深色皮肤个体，非裔美国人和亚洲人剖腹产后瘢痕疙瘩发生率较白种人高。虽有人认为色素沉着增加与瘢痕疙瘩发展有关，但非洲白化病患者和正常色素沉着者在瘢痕疙瘩形成患病率上无显著差异，表明色素沉着增加并非根本原因。机械力方面，其对伤口愈合和疤痕形成影响重大，机械转导是细胞将机械力转化为生化信号的过程，机械转导不足会导致病理性伤口愈合（过度愈合或愈合不足）。机械张力被视为增生性疤痕和瘢痕疙瘩形成的主要原因，因多数异常疤痕在高张力皮肤部位形成，但耳垂处低张力也能形成瘢痕疙瘩，说明高张力对增生性疤痕形成的影响只能部分解释。目前尚无明确科学证据证明遗传和机械同时影响疤痕形成。

当前研究聚焦成纤维细胞在疤痕形成中的作用，经转录组学和机械生物学研究有新发现：增生性疤痕来源的成纤维细胞中 HOX 基因表达水平高；伤口损伤致张力状态改变，张力降低可能促进成纤维细胞增殖；机械张力对正常皮肤、增生性疤痕和瘢痕疙瘩的增殖作用不同，且拉伸刺激与正常成纤维细胞中 HOX 基因表达正相关，增生性疤痕和瘢痕疙瘩的成纤维细胞对机械张力反应有别。

近日，韩国科学技术院机械工程系的研究团队通过检查HOX 基因响应来自正常皮肤、增生性疤痕和瘢痕疙瘩的成纤维细胞中机械力的差异表达，研究机械张力与细胞行为之间的联系。研究成果发表在Journal of Translational Medicine期刊题为“Tension-sensitive HOX gene expression in fibroblasts for differential scar formation”。



首 先，对来自正常皮肤、增生性疤痕和瘢痕疙瘩的成纤维细胞进行 RNA 测序分析。从正常皮肤、增生性瘢痕和瘢痕疙瘩这三种类型的各 3 例患者处获取相应组织，在受伤约两个月后从每个疤痕组织中分离出成纤维细胞（图1a）。因成纤维细胞取自受伤皮肤组织，人群中也存在肌成纤维细胞，通过 α- 平滑肌肌动蛋白（α-SMA）染色对其进行鉴定。成纤维细胞培养两天后，从每组中提取总 RNA 用于 RNA 测序（RNA-Seq）（图1b）。

活化成纤维细胞与静止成纤维细胞形态差异明显，常表现为扩散增加和细胞形状改变。为量化差异，测量了细胞铺展面积和纵横比（图1c和d）。分析显示，增生性疤痕成纤维细胞与正常皮肤和瘢痕疙瘩的成纤维细胞相比，在细胞面积和纵横比上有显著差异，前者细胞更大、纵横比较低，形态分布更广、拉长程度更低，可能是因增生性瘢痕组织中肌成纤维细胞丰度更高。而正常皮肤和瘢痕疙瘩的成纤维细胞在细胞面积或纵横比上无显著差异。尽管存在形态差异，但正常皮肤、增生性疤痕和瘢痕疙瘩的成纤维细胞整体转录组学特征相似，对所有基因平均 log2值的成对比较得出高相关系数（0.97-0.98），表明总基因表达模式无法区分这三组（图1e），表型差异由特定基因亚群的集中转录变化而非全局基因表达的大规模变化驱动。
 

图1 来自正常皮肤、增生性疤痕和瘢痕疙瘩的成纤维细胞表现出不同的形态学特征，但保持大致相似的总 mRNA 表达。

然后，对不同类型瘢痕来源的成纤维细胞的差异基因进行分析。通过特定阈值筛选出了 219 个差异表达基因。 对于这 219 个差异表达基因，进行了主成分分析（PCA），并将数据投影到前两个主成分（PC1 和 PC2）上，它们分别占总变异的 43.95% 和 23.60%（图 2a），样本按瘢痕类型而非解剖学位置聚类， 说明这些基因可区分不同瘢痕来源的成纤维细胞 。使用同一组差异表达基因进行的均匀流形近似与投影（UMAP）分析也得到了类似聚类结果，证实基因表达差异在不同解剖学来源中具有一致性。

层次聚类分析发现增生性瘢痕来源的成纤维细胞与瘢痕疙瘩来源的成纤维细胞之间存在显著的差异表达（图 2b） ，其中多数为 HOX 基因，在前者中高度上调。 GO分析显示前十个过程主要与形态发生相关 ，选择了九个被认为与伤口愈合相关的生物学过程，用于与先前确定的前十个与形态发生相关的过程进行比较分析。这种方法旨在验证与伤口愈合功能的任何潜在联系（图 2c）， 发现与形态发生相关过程与增生性瘢痕来源成纤维细胞相关性更强且大多上调，而瘢痕疙瘩来源成纤维细胞中基因多失活或下调。 这些数据表明，与形态发生相关的生物学过程显著影响增生性瘢痕的形成。另一方面，瘢痕疙瘩的形成似乎不受这些过程中任何一个的影响，从这些过程的总基因计数比增生性瘢痕来源的成纤维细胞中的基因计数少这一事实可以证明（图 2c）。 STRING 分析揭示胶原编码基因和 HOX 基因两个重要簇及 12 个小基因群（图 2d），且两簇无已知相互作用。瘢痕疙瘩来源成纤维细胞虽无显著形态变化但转录水平不同，表明其形成可能涉及与形态发生相关基因无关的其他途径或机制。

图2 差异表达基因（DEGs）展现了来自正常皮肤、增生性瘢痕以及瘢痕疙瘩的成纤维细胞具有不同的形态发生特征。

接下来，为了研究损伤诱导的张力变化的作用及正常皮肤、增生性疤痕和瘢痕疙瘩成纤维细胞行为的影响，通过有限元方法模拟，分别呈现张力稳态的原始状态和张力稳态被破坏的受伤状态，可视化自然张力和损伤条件下的应力分布，其中应力等值线缺口模拟急性损伤，且伤口处过度张力被认为可导致增生性瘢痕和瘢痕疙瘩这类异常瘢痕形成（图 3a）。

与普遍认为伤口处过度张力导致异常瘢痕形成的观点不同，研究发现损伤附近多数区域最大主应力降低，原始状态平均主应力值为 51.1 千帕，损伤模型下为 41.6 千帕。皮肤损伤区域附近张力显著降低，尽管周边有应力集中效应。标记损伤模型应力分布图上三个位置研究发现（图 3a），受伤状态下这些位置最大主应力相比原始状态最多降低 94.0%，表明损伤处附近成纤维细胞力学环境巨变，且损伤时张力变化可引发成纤维细胞协调反应。

张力完整性理论可解释机械力对细胞生化系统的调节，为描述相关协调现象引入分层张力完整性概念（图 3b），其展现了从皮肤组织到细胞外基质和细胞的张力完整性层级。自然张力下细胞能感知力学环境并形成稳定张力完整性，经机械转导产生对应生物反应；而当损伤破坏力学环境时，细胞能感知细胞外基质张力变化，调整自身张力完整性，引发不同生物反应。

图3 损伤诱导的张力变化通过诱导成纤维细胞的增殖来启动伤口愈合过程。

为了进一步研究正常皮肤来源的成纤维细胞增值与张力的关系。实验通过有张力和无张力条件模拟皮肤自然张力和损伤后张力丧失情况，免疫荧光图像显示正常皮肤来源的成纤维细胞中，无张力时 Ki67 阳性细胞数量多于有张力时，说明张力抑制正常皮肤来源的成纤维细胞增殖（图 3c ）。从反向逻辑看，点二列相关分析证实张力与增殖呈负相关，即受伤后组织张力降低可能使增殖增加，故损伤引起的张力变化或可刺激成纤维细胞促进伤口愈合，使其增殖增多。

量化了正常皮肤及其他类型瘢痕来源的成纤维细胞中 Ki67 阳性细胞百分比（图 3d），结果表明无张力时正常皮肤和增生性瘢痕来源的成纤维细胞中 Ki67 阳性细胞比例显著更高，而瘢痕疙瘩来源的成纤维细胞无论张力条件如何，增殖无差异且维持高水平。实验证实瘢痕疙瘩来源的成纤维细胞有过度增殖特点，但强调该发现具有情境特异性，过度增殖并非其在所有情况下或所有个体中的普遍特征。

最后，RNA 测序发现 HOX 基因在不同瘢痕类型中差异表达， 为了研究张力对这些基因的影响，在拉伸刺激后对选定的 HOX 基因（HOXA9 和 HOXC10） 进行了实时 qPCR 研究（图 4a） 。双向方差分析表明张力显著影响正常皮肤成纤维细胞中这两个基因的表达，无张力时基因下调。增生性瘢痕成纤维细胞有类似趋势，但表达水平始终较高。瘢痕疙瘩成纤维细胞的 HOX 基因表达在有无张力下无统计学差异，与增殖趋势相符。PBC 分析显示，正常皮肤成纤维细胞中张力与 HOX 基因上调正相关；增生性瘢痕成纤维细胞虽有相同趋势但反应变异性大；瘢痕疙瘩成纤维细胞对张力不敏感，其 HOX 表达在不同张力状态下无显著差异。

对胶原蛋白合成基因 COL1A1 进行 qPCR 检测，已知胶原蛋白合成与成纤维细胞增殖负相关。结果显示，无张力（促进增殖）时，正常皮肤和增生性瘢痕来源的成纤维细胞中 COL1A1 基因表达水平下降，而瘢痕疙瘩来源的成纤维细胞对张力在该基因表达上无机械敏感性反应。通过 PBC 分析张力与 COL1A1 基因表达的相关性，发现正常皮肤成纤维细胞中有张力时该基因水平显著更高，系数为正；增生性瘢痕成纤维细胞有张力时表达虽增加但无统计学意义；瘢痕疙瘩成纤维细胞对张力基本无反应，体现其机械转导途径的内在差异。

假设张力降低会增强正常皮肤成纤维细胞增殖，结合增殖与基因表达模式提出基于分层张力完整性对张力反应的模型（图 4b）。正常皮肤成纤维细胞在自然张力下维持稳定张力完整性，HOX 基因作为位置身份标记表达，细胞静止时胶原蛋白合成基因表达上调。当皮肤因损伤完整性受破坏，成纤维细胞感知张力变化，HOX 基因下调、胶原蛋白合成暂停，细胞得以增殖。增生性瘢痕成纤维细胞有相同机制但变异性大，致 PBC 值无统计学意义。瘢痕疙瘩成纤维细胞在张力下 HOX/COL1A1 基因表达变化小，与其过度增殖和张力不敏感表型相符。此外，瘢痕疙瘩成纤维细胞中 HOX 和 COL1A1 基因表达虽有相关性图 2d），但需进一步研究确定直接功能联系，因相关性不等于因果性。
 

图4 张力与选定基因（HOXA9、HOXC10 以及 COL1A1）之间的正相关关系。

图5 包含机械张力和遗传效应的新型伤口愈合模型以及疤痕形成情况。

总之，该研究为伤口愈合和疤痕形成的提供了新观点，指出成功的伤口愈合需维持自然拉伸应力的稳态（图5)，且该张力稳态与成纤维细胞中 HOX 基因表达紧密相关，强调了靶向机械转导途径和张力敏感的 HOX 基因表达作为异常疤痕预防和治疗的治疗策略的潜力。

参考文献：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

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39930512/

Impact Factor: 6.1

ISSN: 1479-5876

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