机械力调节脂肪干细胞的旁分泌功能促进大鼠皮肤扩张

由手术切除、创伤、烧伤和慢性溃疡引起的大范围软组织缺损严重增加了发病率和死亡率，这仍然是整形外科中挑战性的问题之一。组织扩张术可消除远距离组织移植引起的供区并发症，扩张后的皮肤组织与修复区皮肤质量相似。

间充质干细胞（MSCs）由于其独特的组织再生能力成为一种很有前途的治疗选择。与其他类型的 MSCs 相比，脂肪来源的干细胞（ADSCs）因其取材容易、含量丰富而受到广泛关注。然而，移植后 MSCs 的迁移能力、存活率和分化能力下降，这限制了它们的治疗潜力。越来越多的证据表明，旁分泌功能是 MSC 治疗效果的核心。MSCs 可以释放多种功能分子，如生长因子、炎症因子、趋化因子、细胞外基质成分等。一些研究表明，ADSCs 的条件培养基（ADSC-CM）具有促进组织再生的潜力。

MSCs 可以通过缺氧、基因工程和物理化学刺激进行预处理，以扩增或抑制特定的生物分子，从而达到预期的治疗效果。机械刺激可诱导 ADSCs 分泌促进血管生成的生长因子，如血管内皮生长因子（VEGF）和碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）。机械力在不同程度上调控 ADSCs 的迁移、分化和旁分泌功能。

基于此，南方医科大学南方医院整形美容外科研究团队假设，在特定机械力下收集的 ADSC-CM 可以通过促进血管生成和胶原蛋白分泌来促进皮肤再生。为此，将 ADSCs 暴露于不同程度的机械力探索了机械力的大小与 ADSCs 旁分泌功能之间的关系，并使用大鼠皮肤扩张模型研究了 ADSC-CM 在皮肤扩张中的作用和潜在机制。研究成果发表在 Stem Cell Research & Therapy 期刊题为“Mechanical force regulates the paracrine functions of ADSCs to assist skin expansion in rats”

为了研究 ADSC-CM 对血管生成的影响并确定最合适的机械预处理，首先研究了在不同拉伸强度下（0%；10%；12%；15%）收集的 ADSC-CM 对大鼠主动脉内皮细胞的影响，比较 ADSC-CM 对这些细胞增殖、迁移和血管生成管形成的影响。划痕测定表明，10% 拉伸组最能促进这些细胞的迁移（图1 a、b）。CCK8 实验结果显示，各拉伸组吸光度变化与对照组无显著差异（图1 c）。细胞开始形成毛细血管后，10% 拉伸组在 6 小时时管腔形成（图1 d、e、f）。然后，观察在不同拉伸力下收集的 ADSC-CM 对大鼠成纤维细胞的影响，研究 ADSC-CM 对胶原蛋白分泌的影响，发现 10% 拉伸组中的成纤维细胞分泌更多的 Col I 和 Col III （图1 g）。这表明，在机械拉伸下收集的 ADSC-CM 促进大鼠主动脉内皮细胞的迁移、血管生成和成纤维细胞的胶原蛋白分泌。

图1 不同机械力下收集的 ADSC-CM 对大鼠主动脉内皮细胞和成纤维细胞的影响。

根据体外实验的结果，将在 0% 和 10% 的拉伸力下收集的 ADSC-CM 作用于大鼠的扩张区域，发现 10% 拉伸组的扩张率显著高于其他组，而 0% 拉伸组和对照组之间无显著差异。这说明，机械力作用下收集的 ADSC-CM 可改善皮肤扩张。

然后，对 CD31 进行免疫荧光染色以确定中央区域的血管密度。在第3天和第7天，10% 拉伸组的血管数量显著高于其他组，但在第14天各组之间无显著差异（图2）。这说明，机械力作用下收集的 ADSC-CM 可改善扩张皮肤的血管化。

图2 在机械力暴露的ADSC-CM存在下皮肤扩张后血管化的评估。

为了阐明在 10% 拉伸力下收集的 ADSC-CM 改善扩张皮肤血管形成的机制，通过 qPCR 研究了扩增皮肤中选定蛋白质的表达。结果显示，10% 拉伸组 VEGF、HGF 和 bFGF 的表达显著高于其他组，表明在机械力作用下收集的 ADSC-CM 增加了血管生成相关蛋白的表达。

为了评估扩张皮肤中胶原蛋白的数量，在每个时间点进行免疫组织化学和组织学分析。在第 30 天，10% 拉伸组的 Col I 和 Col III 水平升高，但 0% 拉伸组和对照组之间没有显著差异（图3），且三组皮肤厚度也无显著差异。这表明，在机械力作用下收集的 ADSC-CM 增加了扩张皮肤中的胶原蛋白沉积。

图3 评估在机械力暴露的 ADSC-CM 存在下皮肤扩张后胶原蛋白沉积的情况。

图4 机械预处理ADSC-CM协助皮肤扩张的可能机制

在这项研究中，证实了机械力可以调节 ADSCs 的旁分泌功能，确定了优化 ADSCs 分泌蛋白组以促进血管生成和胶原沉积的最佳机械条件，并将 ADSC-CM 应用于扩张的区域以促进皮肤再生（图4）。研究结果强烈表明，利用机械预处理后收集的 ADSC-CM 进行皮肤扩张，增加了新生皮肤的血管生成和胶原蛋白含量，不会导致皮瓣过度增厚，从而为超薄大皮瓣的扩张提供了更好的条件，以修复大块的软组织缺损。

参考文献：Xue Z, Hu D, Tang H, Xue M, Zhu Y, Li Y, Liao Y. Mechanical force regulates the paracrine functions of ADSCs to assist skin expansion in rats. Stem Cell Res Ther. 2024 Aug 13;15(1):250. doi: 10.1186/s13287-024-03822-0. PMID: 39135129; PMCID: PMC11321134.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39135129/

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