在线客服

咨询热线

自噬在病理性瘢痕形成中的作用及其相关研究进展

作者:未知

  [摘要]病理性瘢痕是一种皮肤纤维化疾病,主要以成纤维细胞异常增殖、胶原等细胞外基质过度沉积为主要病理表现,目前,病理性瘢痕的发病机制尚未明确,仍是临床治疗的难点。自噬是一种细胞程序化死亡方式,主要是对细胞内物质进行周转,保障细胞正常增殖、分化及凋亡等重要生理机制。近年来,陆续有学者研究发现自噬可参与病理性瘢痕形成的发生发展,并可作为一个研究靶点。本文就自噬对病理性瘢痕的炎性细胞、修复细胞、细胞因子及细胞外基质等方面的影响进行综述,旨在阐明自噬与病理性瘢痕的研究现状。
  [关键词]自噬;病理性瘢痕;纤维化;成纤维细胞;机制
  [中图分类号]R619+.6   [文献标志码]A    [文章编号]1008-6455(2019)06-0168-03
  Abstract: Pathological scar is a kind of skin fibrosis disease, which is mainly manifested by abnormal proliferation of fibroblasts, excessive deposition of collagen and other extracellular matrix. At present,mechanisms underlying pathological scar is unclear,and it is still refractory in clinic. Autophagy is a programmed cell death mode, which mainly involves the turnover of intracellular substances to ensure normal cell proliferation differentiation, apoptosis and other important physiological mechanisms.In recent years, it has been found that autophagy can be involved in the occurrence and development of pathological scar formation and can serve as a research target.In this paper, the effects of autophagy on inflammatory cells, repair cells,cytokines, extracellular matrix and other aspects of pathological scar were reviewed, aiming to clarify the current research status of the relationship between autophagy and pathological scar.
  Key words: autophagy; pathological scar; fibrosis; fibroblast; mechanism
  病理性瘢痕是一種真皮纤维化疾病,是创伤后皮肤结缔组织异常修复的结果,其组织病理学特点为成纤维细胞(fibroblast,FB)的过度增殖及凋亡受抑制,细胞外基质(Extracellular matrix,ECM)过度沉积及各类胶原纤维排列紊乱。病理性瘢痕为患者带来躯体的痛苦与沉重的心理负担,但目前仍无满意疗效,主要原因是病理性瘢痕形成机制尚不明确。目前的观点普遍认为病理性瘢痕的发生是多方面因素的共同作用,主要与如下方面有关:①细胞因子的异常表达:转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)、白介素、胰岛素样生长因子-1、肿瘤坏死因子-α、结缔组织生长因子等些细胞因子参与病理性瘢痕的形成,在瘢痕的发生发展过程中发挥着重要的作用;②ECM过度沉积:ECM堆积及大量的ECM蛋白(如:I型胶原、纤维蛋白和弹性蛋白等)表达过度是瘢痕的一大组织特点;③基因调控异常:一方面是p53、c-myc等抑癌基因突变,另一方面是Bcl-2、c-fos等与细胞凋亡相关的基因表达异常。总体结局是FB凋亡减少,细胞增殖过度,分泌过多的胶原和ECM;④信号通路表达异常:PI3K/AKT/mTOR途径、Notoch 受体及其配体、HDAC/TGF-β/Smads途径、核转录因子信号通路等[1]。近年来不断有研究表明,自噬也可参与纤维化病变及瘢痕形成。Shi等[2]发现与正常皮肤相比,增生性瘢痕组织和FB中微管相关蛋白轻链3(microtubule-associated protein light chain 3,LC3)及自噬小体均上调,提示增生性瘢痕中存在自噬水平增高。自噬可通过调控ECM的合成与降解,FB凋亡、细胞因子分泌及炎症因子等从而参与病理性瘢痕的发生发展。
  1  自噬的分类和机制
  细胞自噬是真核生物中一种高度保守的进化过程,可降解和回收再利用细胞中的代谢废物或受损细胞器等,从而维持细胞本身代谢和细胞器的更新及内环境的稳态。然而,过度的自噬激活也会导致细胞器功能紊乱,甚至细胞自毁,可见自噬在细胞中的作用具有两面性。按照细胞内底物运输到溶酶体的不同方式,自噬可大致分为三种类型:巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬[3]。目前,对巨自噬的研究最为深入,通常描述的自噬即为巨自噬。自噬的作用过程可概括为四个阶段:①自噬泡形成:各种刺激因素诱导细胞产生自噬起始信号,继而在细胞质中形成双层结构的自噬体膜;②自噬体的形成:杯状结构的双层膜缓慢伸展,最终完全包裹待降解的细胞器或蛋白,形成完全闭合的自噬体;③自噬溶酶体形成:自噬体包裹待降解物,在胞内共同运输到达溶酶体后与其融合,形成自噬溶酶体;④降解:包裹在小体内的待降解物被溶酶体中的水解酶及蛋白酶降解[4]。近年来已确定了多种与自噬相关基因,它们参与了自噬的诱导、产生、成熟和再循环等阶段。与自噬相关的功能集团可分为四类,分别为UNC-51样激酶(ULK)复合物、III类磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)复合物,含Beclin 1(Becn1,又称ATG6)、以及两个泛素样偶联系统:ATG5-ATG12和微管相关蛋白1轻链3 (LC3-ATG8)偶联系统。这些功能集团分别作用于自噬发生的不同阶段。在启动自噬阶段,ULK1/2 复合物发挥重要作用,也参与激活 VPS34-Beclin-1复合体[5-6]。VPS34与VPS15及 Beclin-1 结合形成的VPS34-Beclin-1复合体调控吞噬泡的形成及成熟[7]。ATG5-ATG12和微管相关蛋白1轻链3 (LC3-ATG8)两个泛素样偶联系统参与自噬小体的延伸和闭合过程。在自噬体胞内运输阶段,Atg9能编码跨膜蛋白的基因[8]。LC3作为“自噬核心蛋白”,自噬形成时LC3I向LC3II转化,LC3可与泛素样结合蛋白SQSTM1/p62 相互作用,协助自噬小体至溶酶体的运输过程,并实现胞内待降解物的降解[9]。   2  自噬与病理性瘢痕的关系
  2.1 自噬与FB:FB是病理性瘢痕中最重要的效应细胞。FB增生和凋亡之间的平衡失调,分泌过多的ECM,都是导致病理瘢痕发生的重要机制。有文献报道[2],FB中自噬水平的下调可诱导细胞凋亡的发生,从而降解细胞内过多的纤维蛋白,改善ECM的过度沉积。目前基因在FB过度增殖和凋亡障碍中的作用可分为两方面,一方面是p53、c-myc等抑癌基因发生突变,失去了对细胞过度增殖的抑制作用。另一方面Bcl-2、c-fos等细胞凋亡相关基因表达异常,抑制了FB的正常凋亡[1]。p53是调节细胞周期和细胞凋亡的重要基因,在自噬和凋亡的调节中起中心作用。有学者发现[10],p53可通过破坏增生性瘢痕成纤维细胞(Hypertrophic scar fibroblasts,HSFs)自噬的平衡,而导致细胞凋亡和抑制纤维化,进一步在兔耳瘢痕模型中注射Adp53后的瘢痕外观更平整更薄,胶原含量更低。在瘢痕组织中Bcl-2表达明显高于正常皮肤,而过表达的Bcl-2可以阻断FB凋亡。Cao等[11]研究发现BCL-2的表达下调,一方面可诱导HSFs发生凋亡,另一方面可引起自噬水平发生上调,以此作为细胞应对凋亡的一种负调控机,但总体来说Beclin-1依赖性自噬的失活可促进高营养状态下HSFs的凋亡,从而影响纤维化。综上所述,FB中自噬水平的下调有利于FB凋亡,从而抑制纤维化。
  2.2 自噬与细胞外基质:病理性瘢痕发生机制之一是ECM生成与降解平衡的失调。在病理性瘢痕中由于外界刺激因素的持续作用,胶原合成与分解之间的动态平衡被打乱,使得胶原在细胞外过度沉积,且形态粗大排列紊乱,从而参与病理性瘢痕纤维化的发生。在ECM中主要以Ⅰ、Ⅲ型胶原增多为主。在增生期早期主要是Ⅲ型胶原蛋白增高,而增生期晚期及重塑期逐渐转为I型胶原蛋白增高为主[12],最终在瘢痕组织中Ⅰ/Ⅲ型胶原比例明显升高,可达6:1[13]。近年来的研究证实,自噬可通过多种信号通路参与调控纤维化过程中ECM的代谢[14],但目前自噬水平的上调和下调与ECM生成间关系尚无定论。一方面,Shi等[2]观察到在HSFs中调低自噬标志因子LC3,可以通过阻断Bcl-xL显著降低I型胶原和Ⅲ型胶原的表达,影响弹性蛋白架构安排从而抑制HSFs的纤维化。通过进一步建立兔耳瘢痕模型,注射shLC3、sibcl-xL阻断Bcl-xL 的表达及下调自噬蛋白LC3,可观察到Ⅰ型胶原、Ⅲ型胶原的表达水平下调,ECM积聚减少,胶原排列改善,兔耳瘢痕的外观和结构均明显改善。提示调低增生性瘢痕中自噬水平可抑制纤维化进程。另一方面,Shi等[10]通过建立兔耳瘢痕模型注射AdLC3上调自噬水平,可观察到弹性蛋白的架构发生改变,兔耳瘢痕外观得到改善,但不影响I型胶原、Ⅲ型胶原的表达。综上所述,在病理性瘢痕中自噬的平衡对于纤维化的形成至关重要,自噬的下调和过度上调均可抑制胶原蛋白的表达,从而影响纤维化的发生发展。
  2.3 自噬与炎症相关因子:病理性瘢痕的形成与过度的炎性反应密切相关。过度的炎性反应可通过增加炎性细胞和释放细胞因子,促进FB增殖分化及ECM過度的生成和沉积,参与病理性瘢痕的形成[15]。已有研究发现自噬对炎症反应的调节具有两面性:一方面自噬可通过抑制产生的炎性复合物或清除引起炎症的刺激物,从而抑制过度的炎症反应;另一方面自噬也可通过激活炎性产生大量炎症因子从而促进炎症[16]。同时,自噬的强度也受不同炎症因子的调控,以此对机体的炎性反应做出精确调节。中性粒细胞可通过释放胞外诱捕器迁移到组织感染或损伤部位发挥作用,胞外诱捕器可通过上调结缔组织生长因子和胶原蛋白的产生,启动FB的激活和分化,从而参与纤维化反应。自噬可调控中性粒细胞中胞外诱捕器的释放,用自噬抑制剂处理中性粒细胞,胞外诱捕器释放明显减弱,FB活化减弱,胶原蛋白减少[17]。白细胞介素10(interleukin 10,IL-10)是一种抗炎和抗纤维化的细胞因子,IL-10除了可抑制TGF-β合成,还可以显著下调FB胶原相关因子Col1、Col3、α-SMA,显著抑制瘢痕挛缩[18-19]。Shi等[20]研究证实IL-10可通过在IL10-IL10R-STAT3和IL10-Akt-mTOR通路之间的交叉作用来抑制饥饿HSFB的自噬,由此推测IL-10可通过抑制HSFs自噬,从而参与预防和减少瘢痕的形成。这些研究表明,炎性细胞及因子参与的细胞自噬水平的下调对病理性瘢痕的治疗及改善是有益的。
  2.4 TGF-β:TGF-β是病理性瘢痕形成过程中起关键作用的细胞因子,在病理性瘢痕形成的不同阶段均发挥作用,它能够影响FB的生成与凋亡,并刺激FB细胞分泌大量ECM,同时抑制胶原酶的合成与作用,也能促进肌成纤维细胞生成,影响瘢痕的挛缩[21]。目前,越来越多的研究证实,自噬与TGF-β之间存在联系。一方面,TGF-β可以调节自噬的表达。有研究提示,TGF-β可通过samd和非smad通路激活自噬,也可通过Smad2/3and PI3K/AKT/mTOR通路负调控抑制自噬[22-23]。Jiang等[24]发现TGF-β可阻止自噬通路中beclin-1/Vps34复合体形成,从而发挥抑制自噬作用。因此,TGF-β对自噬的调控具有两面性,不仅可诱导自噬相关基因蛋白的表达上调,增加自噬小体数量,激活自噬。也可以通过不同的信号通路抑制自噬的发生及活性;另一方面,自噬也可调节TGF-β的表达。Ding等[25]研究表明,诱导自噬的发生可促进TGF-β的分解,从而减少胶原沉积及纤维化。Huang等[26]观察到,S1PL可通过重建自噬而抑制TGF-β,从而抑制其促FB分化作用。综上所述,自噬与TGF-β之间存在相互作用,密切关联,具体作用机制与方式可能与细胞的类型及细胞内外环境相关。
  3  展望
  病理性瘢痕是一种皮肤纤维化疾病,目前的研究提示自噬是病理性瘢痕形成过程中的重要参与者,在瘢痕形成的各阶段、各环节均发挥作用。大多数学者的研究支持增生性瘢痕及瘢痕疙瘩中存在自噬水平的上调。将瘢痕疙瘩组织的中央缺氧区域与正常边缘区比较,观察到低氧区的自噬水平上调,推测自噬抑制剂可能对瘢痕疙瘩治疗有益[27]。Shi等[10]对比了增生性瘢痕与正常皮肤的组织与FB,提示增生性瘢痕中自噬水平均上调。但仍有学者指出病理性瘢痕中自噬水平存在下调,Shi等[28]研究表明与正常皮肤组织相比,在增生性瘢痕组织中LC3、beclin1基因及蛋白水平均存在下调,推测自噬能力下降可能与瘢痕的发病机制有关。综上所述,自噬在病理性瘢痕中发挥双重作用,一方面自噬作用增强可减轻纤维化的发展,另一方面过度的自噬又会加重纤维化的发生发展。笔者推测,可能在瘢痕形成早期自噬水平代偿性增高抑制纤维化的进展,但因瘢痕的发生是多方面因素共同作用结果,因此,在瘢痕形成的结局已经不可逆转时,自噬失去对纤维化的抑制作用,进而失代偿共同参与纤维化的发展。关于自噬对病理性瘢痕调控的机制和发展规律需要广大研究者的进一步研究。自噬有望成为病理性瘢痕治疗的新靶点,并为多种纤维化疾病的治疗提供新方法和思路。   [參考文献]
  [1]李子安,宋姣,朱丽平,等.瘢痕的形成机制及天然产物对其治疗的研究进展[J].中国美容医学,2016,25(7):105-109.
  [2]Shi J,Shi S,Wu B,et al.Autophagy protein LC3 regulates the fibrosis of hypertrophic scar by controlling Bcl-xL in dermal fibroblasts[J].Oncotarget,2017,8(55):93757-93770.
  [3]Luo M,Zhao X,Song Y,et al.Nuclear autophagy: An evolutionarily conserved mechanism of nuclear degradation in the cytoplasm[J].Autophagy,2016,12(11):1973-1983.
  [4]Rabinowitz JD,White E.Autophagy and metabolism[J].Science,2010,330(6009):1344-1348.
  [5]Papinski D,Kraft C.Regulation of autophagy by signaling through the Atg1/ULK1 complex[J].J Mol Biol,2016,428(9 Pt A):1725-1741.
  [6]Russell RC,Tian Y,Yuan H,et al.ULK1 induces autophagy by phosphorylating Beclin-1 and activating VPS34 lipid kinase[J].Nat Cell Biol,2013,15(7):741-750.
  [7]Feng Y,He D,Yao Z,et al.The machinery of macroautophagy[J].Cell Res,2014,24(1):24-41.
  [8]Feng Y,Klionsky DJ.Autophagic membrane delivery through ATG9[J].Cell Res,2017,27(2):161-162.
  [9]Lamark T,Svenning S,Johansen T.Regulation of selective autophagy: the p62/SQSTM1 paradigm[J].Essays Biochem,2017,61(6):609-624.
  [10]Shi J,Xiao H,Li J,et al.Wild-type p53-modulated autophagy and autophagic fibroblast apoptosis inhibit hypertrophic scar formation[J].Lab Invest,2018,98(11):1423-1437.
  [11]Cao C,Wang W,Lu L,et al.Inactivation of Beclin-1-dependent autophagy promotes ursolic acid-induced apoptosis in hypertrophic scar fibroblasts[J].Exp Dermatol,2018,27(1):58-63.
  [12]Sidgwick GP,Bayat A.Extracellular matrix molecules implicated in hypertrophic and keloid scarring[J].J Eur Acad Dermatol Venereol,2012,26(2):141-152.
  [13]Mia MM,Bank RA.The IκB kinase inhibitor ACHP strongly attenuates TGFβ1-induced myofibroblast formation and collagen synthesis[J].J Cell Mol Med,2015,19(12):2780-2792.
  [14]Li GH,Lin XL,Zhang H,et al.Ox-Lp(a) transiently induces HUVEC autophagy via an ROS-dependent PAPR-1-LKB1-AMPK-mTOR pathway[J].Atherosclerosis,2015,243(1):223-235.
  [15]Sun BK,Siprashvili Z,Khavari PA.Advances in skin grafting and treatment of cutaneous wounds[J].Science,2014,346(6212):941-945.
  [16]Lapaquette P,Guzzo J,Bretillon L,et al.Cellular and molecular connections between autophagy and inflammation[J].Mediators Inflamm,2015,2015:398483.
  [17]Chrysanthopoulou A,Mitroulis I,Apostolidou E,et al.Neutrophil extracellular traps promote differentiation and function of fibroblasts[J].J Pathol,2014,233(3):294-307.   [18]King A,Balaji S,Le LD,et al.Regenerative wound healing:the role of interleukin-10[J].Adv Wound Care (New Rochelle),2014,3(4):315-323.
  [19]Shi JH,Guan H,Shi S,et al.Protection against TGF-β1-induced fibrosis effects of IL-10 on dermal fibroblasts and its potential therapeutics for the reduction of skin scarring[J].Arch Dermatol Res,2013,305(4):341-352.
  [20]Shi J,Wang H,Guan H,et al.IL10 inhibits starvation-induced autophagy in hypertrophic scar fibroblasts via cross talk between the IL10-IL10R-STAT3 and IL10-AKT-mTOR pathways[J].Cell Death Dis,2016,7:e2133.
  [21]Lichtman MK,Otero-Vinas M,Falanga V.Transforming growth factor beta (TGF-β) isoforms in wound healing and fibrosis[J].Wound Repair Regen,2016,24(2):215-222.
  [22]Zhang C,Zhang X,Xu R,et al.TGF-β2 initiates autophagy via Smad and non-Smad pathway to promote glioma cells' invasion[J].J Exp Clin Cancer Res,2017,36(1):162.
  [23]Liang M,Lv J,Chu H,et al.Vertical inhibition of PI3K/Akt/mTOR signaling demonstrates in vitro and in vivo anti-fibrotic activity[J].J Dermatol Sci,2014,76(2):104-111.
  [24]Jiang Y,Woosley AN,Sivalingam N,et al.Cathepsin-B-mediated cleavage of Disabled-2 regulates TGFβ-induced autophagy[J].Nat Cell Biol,2016,18(8):851-863.
  [25]Ding Y,Sl K,Lee SY,et al.Autophagy regulates TGF-β expression and suppresses kidney fibrosis induced by unilateral ureteral obstruction[J].J Am Soc Nephrol,2014,25(12):2835-2846.
  [26]Huang LS,Berdyshev EV,Tran JT,et al.Sphingosine-1-phosphate lyase is an endogenous suppressor of pulmonary fibrosis: role of S1P signalling and autophagy[J].Thorax,2015,70(12):1138-1148.
  [27]Okuno R,Ito Y,Eid N,et al.Upregulation of autophagy and glycolysis markers in keloid hypoxic-zone fibroblasts:Morphological characteristics and implications[J].Histol Histopathol,2018,33(10):1075-1087.
  [28]Shi JH,Hu DH,Zhang ZF,et al.Reduced expression of microtubule-associated protein 1 light chain 3 in hypertrophic scars[J].Arch Dermatol Res,2012,304(3):209-215.
  [收稿日期]2018-12-21
  本文引用格式:龍彦岑,陈先卓,贺译贤,等.自噬在病理性瘢痕形成中的作用及其相关研究进展[J].中国美容医学,2019,28(6):168-171.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/6/view-14839977.htm