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.

傷口愈合是生物體中持續發生的復雜過程，屬于組織穩態的一部分，通過新組織替換受損組織，最終形成由活化成纖維細胞排列的膠原纖維構成的無功能纖維化疤痕。成纖維細胞是傷口愈合的關鍵細胞，愈合過程分為止血、炎癥、增殖和組織重塑四個階段，炎癥期成纖維細胞趨化遷移至傷口，隨后增殖，再到組織重塑期，部分成纖維細胞分化為肌成纖維細胞，促進組織收縮。

傷口愈合時部分人會出現增生性疤痕或瘢痕疙瘩這類異常瘢痕，影響患者身心。二者都有過多膠原蛋白的變色皮膚擠壓物，但嚴重程度不同，增生性疤痕不超出原始傷口邊界且增厚凸起，瘢痕疙瘩會擴散到周圍傷口邊緣。二者常具相似生長和組織學特征，多數人認為瘢痕疙瘩是獨特臨床實體，也有觀點認為它們是相同炎癥性纖維增生性疾病的不同表現，其形成受遺傳、局部和生活方式等多種因素影響，了解這些因素對預防和治療很關鍵。

異常疤痕形成的關鍵因素為遺傳易感性和機械力。遺傳方面，Rinkevich 等人發現瘢痕內成纖維細胞具有異質性，存在不同分子譜和纖維化潛力的成纖維細胞譜系，且瘢痕疙瘩易在遺傳易感個體中出現，如深色皮膚個體，非裔美國人和亞洲人剖腹產后瘢痕疙瘩發生率較白種人高。雖有人認為色素沉著增加與瘢痕疙瘩發展有關，但非洲白化病患者和正常色素沉著者在瘢痕疙瘩形成患病率上無顯著差異，表明色素沉著增加并非根本原因。機械力方面，其對傷口愈合和疤痕形成影響重大，機械轉導是細胞將機械力轉化為生化信號的過程，機械轉導不足會導致病理性傷口愈合（過度愈合或愈合不足）。機械張力被視為增生性疤痕和瘢痕疙瘩形成的主要原因，因多數異常疤痕在高張力皮膚部位形成，但耳垂處低張力也能形成瘢痕疙瘩，說明高張力對增生性疤痕形成的影響只能部分解釋。目前尚無明確科學證據證明遺傳和機械同時影響疤痕形成。

當前研究聚焦成纖維細胞在疤痕形成中的作用，經轉錄組學和機械生物學研究有新發現：增生性疤痕來源的成纖維細胞中 HOX 基因表達水平高；傷口損傷致張力狀態改變，張力降低可能促進成纖維細胞增殖；機械張力對正常皮膚、增生性疤痕和瘢痕疙瘩的增殖作用不同，且拉伸刺激與正常成纖維細胞中 HOX 基因表達正相關，增生性疤痕和瘢痕疙瘩的成纖維細胞對機械張力反應有別。

近日，韓國科學技術院機械工程系的研究團隊通過檢查HOX 基因響應來自正常皮膚、增生性疤痕和瘢痕疙瘩的成纖維細胞中機械力的差異表達，研究機械張力與細胞行為之間的聯系。研究成果發表在Journal of Translational Medicine期刊題為“Tension-sensitive HOX gene expression in fibroblasts for differential scar formation”。



首 先，對來自正常皮膚、增生性疤痕和瘢痕疙瘩的成纖維細胞進行 RNA 測序分析。從正常皮膚、增生性瘢痕和瘢痕疙瘩這三種類型的各 3 例患者處獲取相應組織，在受傷約兩個月后從每個疤痕組織中分離出成纖維細胞（圖1a）。因成纖維細胞取自受傷皮膚組織，人群中也存在肌成纖維細胞，通過 α- 平滑肌肌動蛋白（α-SMA）染色對其進行鑒定。成纖維細胞培養兩天后，從每組中提取總 RNA 用于 RNA 測序（RNA-Seq）（圖1b）。

活化成纖維細胞與靜止成纖維細胞形態差異明顯，常表現為擴散增加和細胞形狀改變。為量化差異，測量了細胞鋪展面積和縱橫比（圖1c和d）。分析顯示，增生性疤痕成纖維細胞與正常皮膚和瘢痕疙瘩的成纖維細胞相比，在細胞面積和縱橫比上有顯著差異，前者細胞更大、縱橫比較低，形態分布更廣、拉長程度更低，可能是因增生性瘢痕組織中肌成纖維細胞豐度更高。而正常皮膚和瘢痕疙瘩的成纖維細胞在細胞面積或縱橫比上無顯著差異。盡管存在形態差異，但正常皮膚、增生性疤痕和瘢痕疙瘩的成纖維細胞整體轉錄組學特征相似，對所有基因平均 log2值的成對比較得出高相關系數（0.97-0.98），表明總基因表達模式無法區分這三組（圖1e），表型差異由特定基因亞群的集中轉錄變化而非全局基因表達的大規模變化驅動。
 

圖1 來自正常皮膚、增生性疤痕和瘢痕疙瘩的成纖維細胞表現出不同的形態學特征，但保持大致相似的總 mRNA 表達。

然后，對不同類型瘢痕來源的成纖維細胞的差異基因進行分析。通過特定閾值篩選出了 219 個差異表達基因。 對于這 219 個差異表達基因，進行了主成分分析（PCA），并將數據投影到前兩個主成分（PC1 和 PC2）上，它們分別占總變異的 43.95% 和 23.60%（圖 2a），樣本按瘢痕類型而非解剖學位置聚類， 說明這些基因可區分不同瘢痕來源的成纖維細胞 。使用同一組差異表達基因進行的均勻流形近似與投影（UMAP）分析也得到了類似聚類結果，證實基因表達差異在不同解剖學來源中具有一致性。

層次聚類分析發現增生性瘢痕來源的成纖維細胞與瘢痕疙瘩來源的成纖維細胞之間存在顯著的差異表達（圖 2b） ，其中多數為 HOX 基因，在前者中高度上調。 GO分析顯示前十個過程主要與形態發生相關 ，選擇了九個被認為與傷口愈合相關的生物學過程，用于與先前確定的前十個與形態發生相關的過程進行比較分析。這種方法旨在驗證與傷口愈合功能的任何潛在聯系（圖 2c）， 發現與形態發生相關過程與增生性瘢痕來源成纖維細胞相關性更強且大多上調，而瘢痕疙瘩來源成纖維細胞中基因多失活或下調。 這些數據表明，與形態發生相關的生物學過程顯著影響增生性瘢痕的形成。另一方面，瘢痕疙瘩的形成似乎不受這些過程中任何一個的影響，從這些過程的總基因計數比增生性瘢痕來源的成纖維細胞中的基因計數少這一事實可以證明（圖 2c）。 STRING 分析揭示膠原編碼基因和 HOX 基因兩個重要簇及 12 個小基因群（圖 2d），且兩簇無已知相互作用。瘢痕疙瘩來源成纖維細胞雖無顯著形態變化但轉錄水平不同，表明其形成可能涉及與形態發生相關基因無關的其他途徑或機制。

圖2 差異表達基因（DEGs）展現了來自正常皮膚、增生性瘢痕以及瘢痕疙瘩的成纖維細胞具有不同的形態發生特征。

接下來，為了研究損傷誘導的張力變化的作用及正常皮膚、增生性疤痕和瘢痕疙瘩成纖維細胞行為的影響，通過有限元方法模擬，分別呈現張力穩態的原始狀態和張力穩態被破壞的受傷狀態，可視化自然張力和損傷條件下的應力分布，其中應力等值線缺口模擬急性損傷，且傷口處過度張力被認為可導致增生性瘢痕和瘢痕疙瘩這類異常瘢痕形成（圖 3a）。

與普遍認為傷口處過度張力導致異常瘢痕形成的觀點不同，研究發現損傷附近多數區域最大主應力降低，原始狀態平均主應力值為 51.1 千帕，損傷模型下為 41.6 千帕。皮膚損傷區域附近張力顯著降低，盡管周邊有應力集中效應。標記損傷模型應力分布圖上三個位置研究發現（圖 3a），受傷狀態下這些位置最大主應力相比原始狀態最多降低 94.0%，表明損傷處附近成纖維細胞力學環境巨變，且損傷時張力變化可引發成纖維細胞協調反應。

張力完整性理論可解釋機械力對細胞生化系統的調節，為描述相關協調現象引入分層張力完整性概念（圖 3b），其展現了從皮膚組織到細胞外基質和細胞的張力完整性層級。自然張力下細胞能感知力學環境并形成穩定張力完整性，經機械轉導產生對應生物反應；而當損傷破壞力學環境時，細胞能感知細胞外基質張力變化，調整自身張力完整性，引發不同生物反應。

圖3 損傷誘導的張力變化通過誘導成纖維細胞的增殖來啟動傷口愈合過程。

為了進一步研究正常皮膚來源的成纖維細胞增值與張力的關系。實驗通過有張力和無張力條件模擬皮膚自然張力和損傷后張力喪失情況，免疫熒光圖像顯示正常皮膚來源的成纖維細胞中，無張力時 Ki67 陽性細胞數量多于有張力時，說明張力抑制正常皮膚來源的成纖維細胞增殖（圖 3c ）。從反向邏輯看，點二列相關分析證實張力與增殖呈負相關，即受傷后組織張力降低可能使增殖增加，故損傷引起的張力變化或可刺激成纖維細胞促進傷口愈合，使其增殖增多。

量化了正常皮膚及其他類型瘢痕來源的成纖維細胞中 Ki67 陽性細胞百分比（圖 3d），結果表明無張力時正常皮膚和增生性瘢痕來源的成纖維細胞中 Ki67 陽性細胞比例顯著更高，而瘢痕疙瘩來源的成纖維細胞無論張力條件如何，增殖無差異且維持高水平。實驗證實瘢痕疙瘩來源的成纖維細胞有過度增殖特點，但強調該發現具有情境特異性，過度增殖并非其在所有情況下或所有個體中的普遍特征。

最后，RNA 測序發現 HOX 基因在不同瘢痕類型中差異表達， 為了研究張力對這些基因的影響，在拉伸刺激后對選定的 HOX 基因（HOXA9 和 HOXC10） 進行了實時 qPCR 研究（圖 4a） 。雙向方差分析表明張力顯著影響正常皮膚成纖維細胞中這兩個基因的表達，無張力時基因下調。增生性瘢痕成纖維細胞有類似趨勢，但表達水平始終較高。瘢痕疙瘩成纖維細胞的 HOX 基因表達在有無張力下無統計學差異，與增殖趨勢相符。PBC 分析顯示，正常皮膚成纖維細胞中張力與 HOX 基因上調正相關；增生性瘢痕成纖維細胞雖有相同趨勢但反應變異性大；瘢痕疙瘩成纖維細胞對張力不敏感，其 HOX 表達在不同張力狀態下無顯著差異。

對膠原蛋白合成基因 COL1A1 進行 qPCR 檢測，已知膠原蛋白合成與成纖維細胞增殖負相關。結果顯示，無張力（促進增殖）時，正常皮膚和增生性瘢痕來源的成纖維細胞中 COL1A1 基因表達水平下降，而瘢痕疙瘩來源的成纖維細胞對張力在該基因表達上無機械敏感性反應。通過 PBC 分析張力與 COL1A1 基因表達的相關性，發現正常皮膚成纖維細胞中有張力時該基因水平顯著更高，系數為正；增生性瘢痕成纖維細胞有張力時表達雖增加但無統計學意義；瘢痕疙瘩成纖維細胞對張力基本無反應，體現其機械轉導途徑的內在差異。

假設張力降低會增強正常皮膚成纖維細胞增殖，結合增殖與基因表達模式提出基于分層張力完整性對張力反應的模型（圖 4b）。正常皮膚成纖維細胞在自然張力下維持穩定張力完整性，HOX 基因作為位置身份標記表達，細胞靜止時膠原蛋白合成基因表達上調。當皮膚因損傷完整性受破壞，成纖維細胞感知張力變化，HOX 基因下調、膠原蛋白合成暫停，細胞得以增殖。增生性瘢痕成纖維細胞有相同機制但變異性大，致 PBC 值無統計學意義。瘢痕疙瘩成纖維細胞在張力下 HOX/COL1A1 基因表達變化小，與其過度增殖和張力不敏感表型相符。此外，瘢痕疙瘩成纖維細胞中 HOX 和 COL1A1 基因表達雖有相關性圖 2d），但需進一步研究確定直接功能聯系，因相關性不等于因果性。
 

圖4 張力與選定基因（HOXA9、HOXC10 以及 COL1A1）之間的正相關關系。

圖5 包含機械張力和遺傳效應的新型傷口愈合模型以及疤痕形成情況。

總之，該研究為傷口愈合和疤痕形成的提供了新觀點，指出成功的傷口愈合需維持自然拉伸應力的穩態（圖5)，且該張力穩態與成纖維細胞中 HOX 基因表達緊密相關，強調了靶向機械轉導途徑和張力敏感的 HOX 基因表達作為異常疤痕預防和治療的治療策略的潛力。

參考文獻：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

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39930512/

Impact Factor: 6.1

ISSN: 1479-5876

圖片來源： 所有圖片均來源于參考文獻

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