机械转导 - 羟基磷灰石的再生机理
文摘
科学
2024-09-02 14:14
美国
皮肤老化是一个不可避免的生理过程，皮肤结构的完整性会逐渐遭受破坏。为了保持年轻的肌肤，包括注射型填充剂在内的多种再生疗法为我们带来了多种选择，但其中大部分仅能通过提供体积恢复来改善皱纹及皮肤松弛度。理想的填充剂不应将其功能限制在体积增强上，而应能对抗皮肤老化过程中涉及的潜在机制。
我们在之前的文章中（点击阅读：羟基磷灰石微球与胶原再生），描述了羟基磷灰石微球的一个特性 - 细胞机械转导（mechanotransduction）。这种机械力刺激了皮肤中胶原蛋白的再生。今天我们更加详细地介绍一下这个再生机制。
细胞外基质（ECM）是一种基于蛋白质的支架，为组织提供结构和生物学功能。在皮肤细胞外基质，I 型胶原蛋白和 III 型胶原蛋白构成了主要的细胞支架，两者的比例及其交联程度在很大程度上决定了皮肤的拉伸和机械强度。弹性蛋白则赋予了皮肤的弹性、伸展性和可塑性。在衰老过程中，基质金属蛋白酶（MMPs）或环境压力因素（例如紫外线损伤、吸烟等）会缓慢降解皮肤细胞外基质，导致其形态和功能的丧失，表现为皮肤松弛、皱纹、色素沉着等。胶原蛋白的破坏是细胞衰老的主要驱动因素，当胶原蛋白降解速率超过胶原蛋白再生时，就会发生衰老。![]()
皮肤细胞外基质主要由成纤维细胞和角质形成细胞占据，随着细胞外基质降解，构成纤维的张力和刚性就会丧失。当成纤维细胞与健康的细胞外基质（即机械性能坚固，具有粗大、定向的纤维）接触时，它们的机械感受器会被激活，细胞呈扁平梭形，处于增殖、合成活跃状态（上图A上）；而当细胞外基质降解，使成纤维细胞接触胶原蛋白减少并丢失张力，成纤维细胞呈纺锤形，逐渐丧失细胞活性（上图 B）。Delvoye等人直接测量了成纤维细胞在三维基质中产生的机械力，证明合成胶原蛋白的减少是由于成纤维细胞机械张力减少直接导致的，并进一步表明张力的丧失会下调前胶原基因的转录并增加MMPs的浓度。在健康皮肤中，成纤维细胞是扁平的，覆盖了大面积；在受损皮肤中，细胞看起来呈纺锤形（如下图所示），缺乏锚定位点，活性显著降低。![]()
将这一概念应用于美容医学，当成纤维细胞的张力和接触作用得到恢复，其功能性也会恢复，进而中断衰老中的降解过程。因此，不通过诱发炎性-引起伤口胶原生成的机制，而是通过重构成纤维细胞的支架，诱导细胞-生物材料发生相互作用，恢复细胞外基质的结构和功能，这样的填充物就是更加完美和理想的再生材料。
判断一款填充剂是否具有皮肤年轻化的功能，即看它是否能中断上述提到的一个或多个退行性路径（如上文提到的细胞外基质中张力的丧失、基质金属蛋白酶的上调、缺乏细胞机械刺激等）。有学者将羟基磷灰石（Radiesse®）与成纤维细胞共同培养，在72小时后观察到培养液中I 型与 III 型胶原蛋白的含量显著增加。羟基磷灰石微球能直接与真皮成纤维细胞相互作用，使后者的机械感受器激活并迅速合成细胞外基质蛋白（下图），伴随更多细胞外基质的生成，细胞在这些恢复的体积中迅速增殖。随着新组织的生成，形成了新的血管以补充营养和血液供应。![]()
羟基磷灰石填充剂可以显著刺激 I 型和 III 型胶原蛋白再生。研究发现接受 Radiesse® 注射的患者中，I 型与 III 型胶原蛋白显著增加。接受 1:1 稀释治疗的患者大约有650,000根胶原蛋白纤维，而对照组仅有约250,000根，相当于总胶原蛋白增加了160%。在皮肤中，I 型与 III 型胶原蛋白的作用至关重要，III 型胶原蛋白在纤维生成和细胞外基质成熟期间稳定胶原蛋白I纤维的过程中发挥至关重要的作用。理想情况下，随着皮肤的再生，III 型胶原蛋白逐渐被 I 型胶原蛋白所取代。有学者发现在 Radiesse® 治疗后合成了丰富的 III 型胶原蛋白纤维，并逐渐被成熟的 I 型胶原蛋白所取代。除了胶原蛋白，弹性蛋白（Elastin，ELT）在衰老中扮演着至关重要的角色，其流失是皮肤松弛的主要原因。当内源性弹性蛋白耗尽时，皮肤会缺失柔韧性而出现“下垂”现象。有学者测量了在健康患者中多次皮下注射不同稀释比例的羟基磷灰石后的弹性蛋白变化，观察到在治疗后4个月，无论稀释比例如何，都观测到了新弹性蛋白形成。弹性蛋白的增加与 I 型胶原蛋白的增加相关，表明存在共同的潜在再生机制。另有学者对一患者左臂使用聚左旋乳酸（PLLA），右臂使用羟基磷灰石，治疗后的组织学结果显示羟基磷灰石治疗的手臂有许多粗大的新生弹性蛋白带，而聚左旋乳酸治疗的手臂仅有一根弹性蛋白纤维，两组的 I 型胶原蛋白相似；荧光强度分析显示羟基磷灰石治疗侧的弹性蛋白染色荧光强度是原来的6倍以上（上图）。与其他再生治疗相比，弹性蛋白合成的差异可能是由于成纤维细胞的直接力学转导，是羟基磷灰石独有的治疗效果。上文我们谈到的羟基磷灰石对多种细胞外基质组分有强效的再生功能，这为其医美疗法提供了基础，但在分析一种生物材料的再生能力时，确保再生组织功能的恢复同样至关重要。目前，羟基磷灰石带来的结构恢复已在皮肤的表层和不同层次中观察到。Kim等人使用皮肤镜和计算三角测量法测量了皮肤皱纹的表面变化。使用羟基磷灰石治疗前，患者三角区域总和（皱纹深度的度量）为366；治疗7个月后，总和降至231.5。此外，皮肤凹陷从4分制的3.03改善到1.53（分数越低表示表面越平坦）。最后，色素沉着指数从2.59改善到1.96（分数越低表示色素沉着越少）。提示羟基磷灰石治疗可减少皮肤皱纹的深度，缓解了与角化相关的粗糙度，并改善了色素沉着（见下图）。尽管注射在深层表皮平面，但观察到的所有变化都是表层的，这一具体机制尚待明确，但我们猜测可能是羟基磷灰石中的钙成分导致胶质细胞的更新。![]()
Wasylkowski等使用剪切波速测量评估了皮肤机械特性的宏观变化，在使用羟基磷灰石治疗后腹部、大腿和臂部区域皮肤后，所有治疗区域皮肤的松弛度、皮肤密度、皮肤厚度和平均自我评估松弛度得分均有改善。剪切波速测量显示，在治疗后仅5周，就有78%的病例皮肤松弛度有所改善，表明有显著的紧肤效果。![]()
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随着羟基磷灰石产品（主要是Radiesse®与 HArmonyCa®）上市，临床研究也陆续发表。一项纳入50例不同年龄和皮肤需求的患者的病例系列报告中，研究者使用不同稀释比例的Radiesse®，于浅层注射到不同的身体区域，包括全脸、颈部、胸颈和手部。治疗在改善30-40岁人群的皮肤厚度、松弛度和皱纹方面有效率为95%，在40-60岁人群为80%，在60岁以上人群为70%，一般人群的平均改善率为81.6%。治疗耐受性良好，没有报告显著的不良反应。另一篇纳入19项与羟基磷灰石应用相关临床研究综述指出，已证实羟基磷灰石对皮肤的体积恢复和紧致有效，且整体安全性极佳。组织学和无创皮肤成像数据突出了治疗后细胞外基质的显著恢复，I 型胶原蛋白、弹性蛋白和血管生成增加。未来我们会继续分享羟基磷灰石及其在医美、环保、涂料等多个领域的创新应用，以及这类微球作为注射材料的新思考、新灵感。请持续关注Herostem Lab汇融实验室及其下属单位BETAGENE Genetic贝融生物的研发进展。上海汇融细胞科技有限公司（HEROSTEM® LAB，汇融实验室®）位于上海·外高桥自贸壹号生物园，我们于 2012 年成立，致力于细胞与基因工程技术在生命科学与生物美容领域的创新与探索。我们的产品包括了层析填料、工业级生物试剂、医疗美容产品的材料以及制剂品。我们的团队具备跨界、跨行业的从业背景，涵盖了重组蛋白、医美制剂配方、细胞药物等。HEROSTEM®LAB汇融实验室®的重组蛋白工厂已于 2022 年正式投入GMP运营，并获得ISO9001与ISO13485的认证。 随着生物科技的不断发展，医疗美容领域内产生了众多的创新产品，HEROSTEM®LAB汇融实验室®已成功研发了重组胶原蛋白水凝胶、注射用羟基磷灰石填充剂、琼脂糖填充剂等产品。这类创新生物材料正以迅猛的更迭速度改变着人们对整形美容的认知和需求。更多信息，请查看我们的官网：www.herostem.com.cn。HEROSTEM® Inc., an innovation biotechnology company, is based in Shanghai, China. The laboratory initiated stem cell study and clinical applications back in 2007. Combining stem cell and genetic engineering platforms, HEROSTEM continues to deepen its research and development in the field of bio-based aesthetics, and has launched more than 20 regenerative aesthetic SKUs.
BETAGENE® Genetic, a Shanghai-based innovation-driven company and a subsidary of HEROSTEM®, is a global reagent and hydroxyapatite supllier. We provide and market a wide range of GMP recombinant proteins, enzymes, customized proteins and hydroxyapatite sphere through genetic engineering and biosynthesis . The company has developed several recombinant expression systems including bacterial, yeast, insects and mammalian.We specialize in making animal-free GMP products for cell and gene therapy, antibody, vaccine, IVD, cosmetics and tissue engineering industries. Specially designed and customized proteins are available upon requests.
