为什么人体受伤能自行愈合？为什么点阵/磨削等剥脱性医美能让皮肤“涅槃重生”？

(剥脱性激光术后)

点阵激光、激光磨削、离子束、微针、黄金微针等有创的医美项目，在近几年的医美市场几乎是人人提及，也成为了目前皮肤年轻化最有效的治疗方法之一。以最常见的点阵激光(fractional laser)来说，它的有效性源于它们能够完全汽化表皮，从而去除不需要的色素和日光损伤的细胞。热能的进一步渗透和扩散加热真皮组织，使组织收缩，并刺激新的胶原蛋白产生。这些过程最终消除了受损的弹性组织，产生更明亮、更有光泽的肤色，并减少皱纹和松弛[1]。其实这利用了皮肤的“不破不立”的特性，通过人为可控的创伤，诱导受损皮肤在修复的过程中再生。

就像动画作品《工作细胞》一样，我可以把皮肤比作一个层次分明的摩天大楼，细胞是每间房子的居民和工作人员。皮肤的再生性能比作一个功能强大的装修公司，有点傲气，不轻易出工。把皮肤的小问题，如痘印痘坑、细纹暗沉、皮肤松弛等等比作“水管堵塞，外墙老化”，装修公司单单把它视为“大楼的正常老化”而拒绝提供上门修缮的服务，而当你告诉装修公司，今天大楼需要全面翻新，是个不得不修的大工程，装修公司则会立刻带着全套家当“上门施工”，整屋翻修的同时，还顺便把你家堵塞的水管给修好了。

（图1 动画作品工作细胞截图）

[1] Foster, K. W., Moy, R. L., & Fincher, E. F. (2008). Advances in plasma skin regeneration. Journal of cosmetic dermatology, 7(3), 169–179. https://doi.org/10.1111/j.1473-2165.2008.00385.x

那么，皮肤这栋大楼里的居民和装修公司的关系是怎么样的？背后支撑着这一切的钢筋混凝土结构是什么？有什么用？今天就来回顾和总结一下皮肤的结构、细胞外基质的结构和功能，以及皮肤受损修复和胞外基质的关系。

缩写：

ECM  Extracellular matrix

BM   Basement membrane

MSCs Mesenchymal Stromal Cells

Mfb  Myofibroblasts

Ⅰ成年人皮肤的层次：

成年人皮肤的结构[1]：

       要了解皮肤是如何修复的，得从结构说起。成人皮肤是由表皮和真皮组成的层状器官。表皮由四个不同的层组成:角质层、颗粒层、棘层和基细胞层(从上到下如图2所示)。真皮是一种高弹性、坚韧的组织，由胶原纤维、网状纤维和弹性纤维网组成。它分为两个功能层，乳头状真皮和网状真皮。这两层由一个血管丛隔开，该血管丛由另一个位于网状真皮层底部的血管丛供应。皮肤还含有毛囊、腺体(如图2所示)和负责触觉和痛觉的神经末梢等结构。

简单说来，你可以把皮肤想象成一个有不同功能分区的摩天大楼，顶楼有防护功能，防雨防漏水遮挡阳光，排出废气。中间不同层次有不同的功能，有细胞在执行不同的工作。底层设有储藏室（脂肪）、光纤（神经）、有地铁（血管、淋巴）等等。

[1] Kawasumi, A., Sagawa, N., Hayashi, S., Yokoyama, H., & Tamura, K. (2013). Wound healing in mammals and amphibians: Toward limb regeneration in mammals. Curr Top Microbiol Immunol, 367, 33-49. doi:10.1007/82_2012_305

（图3 鳞次栉比的摩天大楼）

Ⅱ 什么是细胞外基质(Extracellular matrix, ECM)？：

简单来说，皮肤这栋摩天大楼内住着各种白领在辛苦的工作，他们是皮肤的各类细胞。而组成这个摩天大楼的主要成分更多的是这栋大楼的钢筋混凝土结构，也就是细胞居住的“房子”，学名叫细胞外基质(Extracellular matrix, ECM)。

细胞外基质(Extracellular matrix, ECM)是动物组织中，包裹在细胞外的由细胞分泌的三维结构。由胶原蛋白、蛋白多糖/糖胺聚糖、弹性蛋白、纤维连接蛋白、层粘胶蛋白等多种糖蛋白组成的非细胞三维大分子网络（划重点）[1]。

（图4 ECM的结构和成分）

[1] Mendibil, U., Ruiz-Hernandez, R., Retegi-Carrion, S., Garcia-Urquia, N., Olalde-Graells, B., & Abarrategi, A. (2020). Tissue-Specific Decellularization Methods: Rationale and Strategies to Achieve Regenerative Compounds. International journal of molecular sciences, 21(15), 5447. https://doi.org/10.3390/ijms21155447

(图5 摩天大楼内景)

正如大楼为工作人员提供办公的场所和便利一样，细胞外基质也为细胞提供各种生命活动所需要的支持，他的主要作用有：

①  作为细胞黏附的基质（房子是拿来人才引进的）

②  提供支撑的支架结构、确定组织的边界（房子确定了功能分区）

③  为细胞受体呈递生长因子（房子里面有电话线、水管、网线可以提供各种支持）

④  完成细胞因子的时间-空间调节（可以换房子、可以让居民知道起居作息）

⑤  感应和传递机械信号（地震了大楼晃动居民也会感应到）

(Altınay, 2016) [1]

[1] (Altınay, 2016)

（图6 ECM的功能）

细胞与细胞外基质成分(ECM)相互结合，形成一个复杂的网络。细胞驻留在细胞外基质(ECM)中，共同构成组织和器官。细胞外基质(ECM)决定了组织的形态、质地以及机械性能等特征。此外细胞外基质(ECM)还可以作为生长因子以及其它信号分子的“库”，存储于ECM的信号分子与细胞表面受体结合将生物信号从细胞外传递至细胞内，进而调节细胞的多种功能，如生存、生长、迁移和分化，并对维持正常的内稳态至关重要 。细胞外基质(ECM)还可以作为细胞锚定的位点，供细胞黏附和爬行迁移，以及细胞极性的维持。

III 皮肤的愈合与ECM之间的联系

（图7：血栓形成期、炎症反应期、肉芽增生期、重塑期）

皮肤这栋大楼作为人体的最外层防御屏障，必然会受伤，而受伤后也必然需要修复和再生。皮肤的屏障能力主要是由细胞决定的，这些细胞维持皮肤的连续性和完整性，并在受伤后通过增殖和迁移恢复它。成年哺乳动物的皮肤伤口愈合是一个复杂的多步骤过程，包括血栓期、炎症期、增生(包括再上皮化、肉芽组织形成和新生血管形成)、成熟或重塑四个连续阶段，多个阶段之间存在重叠[1]。

在哺乳动物皮肤发生损伤后，血液首先发生凝血，这提供了趋化因子，吸引炎症白细胞和作为迁移细胞基质的ECM蛋白（图7A）。中性粒细胞会帮助清理受伤区域，并最终被巨噬细胞吞噬，巨噬细胞稍晚进入伤口。巨噬细胞还分泌生长因子，吸引角质形成细胞、成纤维细胞和血管进入创面，从而促进再上皮化、肉芽组织形成和血管化(图7B)。角质形成细胞和成纤维细胞都能合成关键的ECM成分，这些成分是在表皮基底层下重新形成基底膜(BM)所必需的。由于成纤维细胞拉着ECM进行创面收缩，这促进了人体伤口的重塑，此外相关的牵引力还助于形成疤痕（图7D）[2]。这些事件的有序发生依赖于特定基因空间和时间的精准表达和各种蛋白质的激活，如生长因子、细胞因子、基质金属蛋白酶(MMPs)和ECM成分。

如果你看过动画作品《工作细胞》，那么你对这一幕肯定不陌生，很多细胞涌上来前仆后继的止血、修复，进而再生，把受损的“钢筋混凝土”修复好，而“钢筋混凝土”本身也没有闲着,重新开始从零自动搭建起桥梁道路。这一段是否应该修改为：总结ECM在创伤修复中的不可或缺性或ECM对创伤修复的关键作用呢？

[1] Michopoulou, A., & Rousselle, P. (2015). How do epidermal matrix metalloproteinases support re-epithelialization during skin healing?. European journal of dermatology : EJD, 25 Suppl 1, 33–42. https://doi.org/10.1684/ejd.2015.2553

[2] Rippa, A. L., Kalabusheva, E. P., & Vorotelyak, E. A. (2019). Regeneration of Dermis: Scarring and Cells Involved. Cells, 8(6), 607. https://doi.org/10.3390/cells8060607

Ⅳ细胞外基质创造诱导干细胞分化的微环境：

   现阶段关于ECM作为“钢筋混凝土”其搭建机制和生理作用的研究还在继续，原以为只是普通的结构材料，而研究却发现它不仅仅是“钢筋混凝土”，还是组织再生的“温室”“温床”。

       目前，一些临床试验正在研究干细胞治疗各种伤口的疗效，包括烧伤、溃疡和严重肢体缺血。早期的临床试验表明间充质干细胞（Mesenchymal Stromal Cells，MSCs）治疗是安全可耐受的。在一项I期临床试验中，对严重肢体缺血的受试者注射了富含ADSC的脂肪移植物，在120天时，脂肪生存率得到提高，且无不良反应[1]。有临床证据表明，干细胞疗法能有效促进伤口愈合。

令人欣喜的是，细胞外基质的重建不仅可以为移植的干细胞提供良好的生存环境，还可以促进内源性干细胞的再生和存活。干细胞在增殖分化的过程中能够感知微环境，从而影响分化。细胞外基质(ECM)可以通过局部机械性能的改变影响基因的转录表达，从而调节干细胞的分化。比如，各种类型的干细胞和祖细胞被证明有一种感知外基质的刚性（stiffness）的能力。这些干细胞的形态、细胞骨架和迁移速率都在数小时内对ECM机械性能作出反应，而对增殖和或分化的影响则在数天内发生。

为了系统性测试MSCs的机械敏感性谱系，使用PA凝胶配方来模拟大脑、肌肉和类骨(骨表面)的组织刚度。凝胶被涂上等量的胶原蛋白，这样在凝胶上培养的所有间充质干细胞都能与相同的配体相互作用，以排除配体的差异性。细胞形态的表型改变在数小时内发生，且会随着细胞外基质硬度的变化而变化:在软凝胶上出现神经元样树枝状分支，在中等硬度凝胶上出现成肌细胞样延伸，在硬凝胶上出现成骨细胞样扩张。虽然这种人骨髓来源的间充质干细胞在体内很可能不会成为神经元或肌肉细胞，但此实验仍证明了细胞外“微环境”对干细胞分化的影响。[2]

[1]  Kolle SF, Fischer-Nielsen A, Mathiasen AB, et al. Enrichment of autologous fat grafts

with ex-vivo expanded adipose tissue-derived stem cells for graft survival: a randomised

placebo-controlled trial. Lancet. 2013 Sep 28;382(9898):1113-20. doi: 10.1016/S0140-

6736(13)61410-5. PubMed PMID: 24075051

[2] Smith, L. R., Cho, S., & Discher, D. E. (2018). Stem Cell Differentiation is Regulated by Extracellular Matrix Mechanics. Physiology (Bethesda, Md.), 33(1), 16–25. https://doi.org/10.1152/physiol.00026.2017

（图10 PA 水凝胶模拟ECM对干细胞的诱导效果）

Ⅴ.细胞外基质富含促进创面愈合的细胞因子

生长因子和细胞因子通过刺激迁移、增殖和分化导致表皮屏障的恢复，在伤口愈合的再上皮化阶段起着非常重要的作用。ECM成分中富含多种生长因子和基质金属蛋白酶MMP一起，通过协调炎症反应，促进角质形成细胞和巨噬细胞向损伤部位的趋化，促进创面的愈合。

（图11，ECM中富含的细胞因子[1]）

Ⅵ肌成纤维细胞通过细胞外基质（ECM）调节和重塑创面

       在皮肤修复中，积极参与修复过程并影响修复结果的细胞是肌成纤维细胞（Myofibroblasts ，Mfb）。Mfb首先在皮肤伤口愈合过程中的肉芽组织中被发现，这种细胞具有分泌胶原纤维和弹性蛋白的特性和[jj1] 类似于平滑肌细胞的收缩功能。在修复过程中，Mfb会从不同的来源被激活，比如来源于一系列的前体细胞（见图8）[1]。Mfb产生多种 ECM  

[1] Michopoulou, A., & Rousselle, P. (2015). How do epidermal matrix metalloproteinases support re-epithelialization during skin healing?. European journal of dermatology : EJD, 25 Suppl 1, 33–42. https://doi.org/10.1684/ejd.2015.2553

[1] Pardali, E., Sanchez-Duffhues, G., Gomez-Puerto, M. C., & Ten Dijke, P. (2017). TGF-β-Induced 

蛋白，其中包括含有ED-A 纤连蛋白、大量间质胶原蛋白和透明质酸。Mfb可以通过ECM蛋白来调节创面的收缩，调节创面的“张力平衡”从而影响创面的纤维化程度，而过度纤维化往往会导致瘢痕的形成。

Ⅶ总结：

在哺乳动物中，一个已知的无疤伤口愈合的例子是非洲棘鼠Acomys的皮肤再生。Acomys小鼠可以完全再生高达60%的皮肤与腺体和毛发。在非洲棘鼠Acomys皮肤的修复过程中，形成了富含III型胶原蛋白的多孔的细胞外基质（ECM）。除了在缺乏细胞因子和趋化因子的诱导的情况下，Acomys小鼠的ECM组成在创伤时更接近胎儿皮肤损伤时，这一结果表明更柔软的细胞外基质有利于皮肤组织的再生[1]。

细胞外基质(ECM) 富含胶原蛋白、蛋白多糖/糖胺聚糖、弹性蛋白、纤维连接蛋白，具有多种调节和促进细胞生存、生长、迁移和分化的功能，对维持正常的内稳态的也有着关键作用，最近研究发现其在诱导干细胞定向分化和重塑创面过程中的发挥着重要作用。目前，ECM已经成为促进创面愈合新的研究方向，脱细胞基质的在创面敷料和生物工程制造（3D-printing）的应用中已取得有效的进展。

Endothelial-Mesenchymal Transition in Fibrotic Diseases. International journal of molecular sciences, 18(10), 2157. https://doi.org/10.3390/ijms18102157

[1] Rippa, A. L., Kalabusheva, E. P., & Vorotelyak, E. A. (2019). Regeneration of Dermis: Scarring and Cells Involved. Cells, 8(6), 607. https://doi.org/10.3390/cells8060607

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