"再生"讲堂

1、第104号捐献:对器官捐献与移植的思考?

2、 人类关于再生的最早想法

3、上世纪上半叶颇具盛行的组织疗法

4、组织工程学的建立和发展

5、组织/器官的原位再生

6、什么是再生医学材料?

7、人类新希望:再生医学(央视视频)

8、皮肤创伤与再生修复材料

9、 骨科再生医学材料

10、 神经损伤与再生修复材料

11、 干细胞与再生医疗

12、 生长因子(蛋白或多肽)

待续,请继续关注......

 

皮肤的损伤与自然修复过程

 

  皮肤作为人体最大最外部的器官极易遭受创伤。各种急、慢性创伤千百年来一直困扰着人们,因此也一直是医学领域的研究热点。其中烧伤或烫伤极易造成大面积不同程度的皮肤损伤,患者往往由于体液丢失、感染导致休克甚至死亡,是目前临床治疗的难点。

一、皮肤的损伤类型与自我修复能力

  临床上将皮肤损伤分为3类:即表皮损伤(I°),表皮及浅层真皮损伤(II°),表皮及全层或接近全层真皮损伤(III°)。皮肤通常情况下具有一定的再生修复能力,而不同烧烫伤深度决定并影响皮肤的这种自我修复能力。

  I°烧伤:表皮具有较强的再生能力,仅仅是表皮损伤(I°),可以通过角质形成细胞的迁移来实现修复。这些角质形成细胞是一类具有干细胞性质的皮肤上皮细胞,通常来自于伤口周围的正常组织,也可来自于伤口底部残留的基底层,或者附属器中的角质形成细胞的扩增。这些过程均可再生完整表皮,而不留红斑。

  II°烧伤:真皮通常不能再生,烧伤造成的真皮缺损不易修复。当仅仅浅层真皮损伤,即II°烧伤,残存的较完整的真皮仍然可引导发生有效的表皮化,不会留下明显疤痕或挛缩。但创伤处的真皮将永久性薄于正常皮肤。

  III°烧伤:深层真皮损伤或真皮全层缺损在功能上均属于III°烧伤。表皮附属器被破坏,即使残留少量真皮也不能再生。创口通过肉芽组织增生以抵抗细菌侵袭。肉芽组织内成纤维细胞过度增生产生大量的胶原,同时分化为具有收缩性的肌成纤维细胞。后者牵拉伤口边缘尽可能使伤口缩小,以便周围的角质形成细胞迁移,使伤口表皮化。多数情况下,当真皮缺损大于2cm时不能发生有效收缩,以致形成慢性非表皮化的开放创口。由于真皮不能再生,接近全厚或全厚损伤成为机体的真正缺口,若不进行外科治疗,无法自然修复。即使愈合也是通过收缩实现,其代价是影响周围皮肤和关节的形态和功能。

二、参与皮肤损伤修复的因素

  皮肤创伤修复依赖于细胞与细胞外基质(extracellular matrix,ECM)的相互作用。成纤维细胞(fibroblast, Fb)是主要修复细胞,在某些趋化因子的作用下,由创面周周向创面移位,并分泌大量的ECM如胶原蛋白(collagen)、纤维连接蛋白(fibronectin,FN)、层连蛋白(liminin,LN)[116,117]、体外黏连蛋白(vitronecftn,VN)、蛋白多糖(proteoglylans,PG) 等。Fb-ECM相互作用时,一方面Fb 增殖,合成分泌ECM成分填充缺损;另一方面,ECM起着支架和连接作用,并调节Fb的发育、移位和增殖。在某些细胞因子作用下,Fb过度增殖,致ECM异常沉积,则可形成增生性瘢痕或瘢痕疙瘩。

  创伤修复包括受损组织的消除和各种细胞的聚集,局部产生大量的胶原基质,最后形成瘢痕。多种细胞、基质成分、血管及多肽生长因子都与创伤修复过程密切相关。

三、皮肤损伤修复的过程

  损伤修复的过程可分为:炎症、增生和重建三个阶段。这三个阶段是连续和相互重叠的过程,往往因损伤的部位、性质、范围以及是否伴有感染而有所不同。损伤修复的过程有共同的特点。

(一)损伤修复的炎症期

  炎症期是损伤修复的初始阶段,其特点是血液来源的细胞积聚在损伤部位、并释放一系列的细胞因子(cytokine)与介质(mediator)。急性损伤发生的同时,损伤的修复过程即已开始。损伤导致血管的破裂,红细胞外渗,血液中的其它成分也外渗到损伤部位。

1. 血小板凝集

  发生损伤以后,血小板是在损伤局部释放的凝血酶(thrombin)和暴露的纤维性胶原的作用下被激活,释放一些颗粒产物,并迅速发生粘附、聚集,沉积于损伤局部。血小板释放的纤维蛋白原转变为纤维蛋白,作为基质部分,以供参与损伤修复过程的单核细胞与Fb吸附之用。

  另外,血小板还释放一些损伤修复必不可少的生长因子,如PDGF等。这些生长因子和单核细胞、Fb及其它特异细胞,在炎症发生和组织修复重建中发挥重要作用。其中,血小板衍生生长因子(PDGF)对Fb同时具有趋化因子和有丝分裂原的作用。在实验中,应用生理剂量以上的PDGF,可加速大鼠和兔子伤口的组织修复作用,并存在剂量效应关系。用PDGF于兔的伤口,愈合速度(3周)超过对照组成50-170%。

2.血液凝固

  血管内成分参与的血凝固和血栓形成过程是损伤修复早期阶段的重要步骤。血浆与血液中其它成分的渗出,通过内源性和外源性两种途径形成凝血酶,并将纤维蛋白原转变为纤维蛋白,从而引发凝血过程和血栓形成。形成的纤维蛋白性凝块不仅具有止血作用,而且可作为单核细胞、Fb、角质细胞移行与粘附的基质支撑物,以促进损伤的全面修复。

3.炎细胞浸润

  损伤修复过程的早期阶段是一典型的炎症反应过程,又称为炎症期,有一系列的血液中白细胞外渗到损伤的部位。其中,中性粒细胞是最先到达损伤位点的细胞类型。凝血链式反应中所产生的一系列趋化因子,如血管舒缓素、纤维蛋白多肽、纤维蛋白的降解产物,诱导血液中的白细胞以及单核细胞移行到损伤区域,同时介导细胞与细胞之间的结合。

  在炎症阶段,血液中的单核细胞与组织中的巨噬细胞发挥着十分重要的作用。在细胞外的一些降解产物、凝血酶以及转化生长因子b(TGFb)等趋化因子介导下,单核细胞向损伤位点的迁移,离开血管进入组织,转变为巨噬细胞的组织表型。组织中的巨噬细胞合成与分泌PDGF、FGF、TGFb和TGFa等生长因子,对细胞迁移、增殖以及细胞外基质蛋白的产生都具有十分重要的调节作用。巨噬细胞也参与损伤位点的抗感染过程。

(二)损伤修复的增生期

1. 上皮新生

  皮肤损伤修复最终结局,是形成皮肤结构这一天然屏障。在损伤的24小时之内,表皮对于皮肤缺损状态即产生应答,开始时,Kc从表皮的边缘向损伤部位移行。最先形成的基质部分由纤维蛋白、纤维粘连蛋白以及V型胶原蛋白组成,这些ECM成分可促进Kc发生进一步的迁移。移行中的Kc自身也表达纤维粘连蛋白,促进自身的迁移过程。

  生长因子在迁移细胞的信号传导过程中发挥着十分重要的作用,主要有TGF-b和EGF等。在移行过程中的基底细胞可能选择性地表达一些细胞表面标志物,如CD44分子等。CD44分子在正常的基底细胞上没有表达,只在鳞状细胞上具有表达活性。因此,这些标志物的表达可以作为一种研究工具,以评价损伤修复早期阶段一些治疗措施的应用与效果。

2. 血管形成

  血管形成是指新血管的生长,或新形成血管。从损伤部位的血管,先形成毛细血管芽,然后再长入到损伤部位。首先,血管内皮细胞向损伤区移行进入到损伤部位,这是血管形成过程最为重要的一个步骤。完成迁移之后,再进行增殖反应。内皮细胞通过血管的形成,加强损伤部位氧及营养成分的运输,并分泌一系列生物活性物质,以促进损伤修复过程。在损伤修复过程中,由巨噬细胞释放的一些可溶性的因子,可以刺激血管形成过程。另外,低氧、乳酸浓度升高、生物产生的胺类,也是刺激血管形成的重要因素。低氧状态可刺激TGFb和胶原的合成,这也许是某些慢性损伤修复过程中出现纤维化的一个重要原因。FGF家族中的一些成员也是损伤修复过程中血管形成的有力刺激因素。其中bFGF促进血管形成的作用较aFGF的作用还要强得多。bFGF与肝素进行相互作用,以促进血管的生长。巨噬细胞与Fb是损伤修复过程中bFGF的两个主要来源。

3. 纤维组织形成

  正常有序的损伤修复过程最为普遍的特征即是颗粒组织的形成。修复过程中颗粒组织的形成包括新生的血管移行进入到损伤位点,之后血管内皮细胞开始增生、并出现Fb的不断积聚。产生皮肤基质最为重要的细胞是Fb。在损伤发生48~72小时之间,即有Fb向损伤位点的移行活动。Fb一旦到达损伤位点,即发挥一系列的生物学功能。

  在酸性、低氧条件下,Fb处于旺盛的增殖状态,同时产生大量的细胞外基质蛋白,包括胶原、蛋白聚糖以及弹性蛋白等。在这一阶段,Fb的亚型发生改变,成为肌成纤维细胞。这种肌成纤维细胞在电子显微镜检查中,既有平滑肌细胞的特征,又有Fb的特征。这些细胞中含有大量的粗面内质网,说明具有合成大量基质蛋白的功能。另外,作为一种肌成纤维细胞,也参与损伤修复部位的收缩过程。

4. 损伤部位的收缩

  损部的收缩力来源于损伤部位的颗粒组织,这是由肌成纤维细胞合成的结缔组织蛋白,其中含有能够发生收缩的蛋白质成分。损伤部位的收缩主要是由富含肌动蛋白的肌成纤维细胞的收缩而进行的。肌成纤维细胞是颗粒组织中的主要细胞类型。在损伤部位的肌成纤维细胞沿收缩方向排列,而颗粒组织中其它类型的细胞成分,如白细胞和内皮细胞则不具备这种排列方式。在体外,肌成纤维细胞在受到血管紧张素、肾上腺素、去甲肾上腺素、5-羟色胺、前列腺素和缓激肽等的刺激时,则出现肌细胞那样的收缩。这种收缩是同时发生的,需要一系列的细胞一细胞之间、以及细胞与基质之间的相互作用机制的参与。

  损伤部位的收缩功能与ECM中胶原蛋白和非胶原蛋白的含量与分布密切相关。其中,纤维粘连蛋白是非胶原蛋白中的一种,也参与损伤修复部位的收缩。在体外,纤维粘连蛋白分布于肌成纤维细胞的周围。损伤部位的收缩能力与损伤部位的面积大小及深度有关。损伤部位的收缩是损伤修复过程中一个重要的环节,而在某些解剖部位,可影响功能和外观,利用平滑肌的松弛剂可以抑制损伤部位的收缩过程。

(三)损伤修复的重建期

  损伤修复的第三阶段就是损伤修复的重建期,也是损伤修复的最后一个阶段,包括一系列细胞外基质蛋白的沉积和之后的一系列重新分布与调整。在损伤修复阶段,皮肤中的一些生物大分子,如纤维粘连蛋白、透明质酸、蛋白聚糖、胶原蛋白等发生沉积,形成骨架结构,便于其它细胞的迁移。细胞外基质蛋白的沉积与重建是一个动态的过程。损伤修复过程中,细胞外基质沉积的量和类型在周边部分和中央部分存在差别。

  在皮肤的功能性屏障结构得到重建以后的很长一段时间里,修复过程一直在进行之中。在修复的早期阶段即有胶原蛋白的沉积,在损伤发生2~3周之后达到胶原蛋白沉积高峰。损伤发生1个月以后,其张力增加40%,这是胶原蛋白沉积的一个重要指标。在损伤发生以后的1年之内,其张力也不断增加。即使如此,修复以后的最大张力也不超过正常组织张力的80%。

  在损伤修复的重建阶段,修复组织中胶原蛋白的含量和类型也有所改变。在损伤修复最初阶段,Fb分泌的胶原蛋白以Ⅲ型胶原为主。之后一年或更长的一段时间,逐步恢复到以I型胶原蛋白为主的状态。修复组织中,Ⅲ型胶原在特异性的胶原酶催化作用下逐渐降解,I型胶原逐渐合成,使以Ⅲ型胶原蛋白为主的结构方式,经过一个长期复杂的过程,逐渐转变为以I型胶原为主的结构方式。