杨蓉娅
中国人民解放军总医院第七医学中心
中国整形美容协会副会长
中华医学会医学美容分会主委
中国医师协会美容与整形医师分会副会长
泛亚面部整形与重建外科学会中国分会副主席
中华预防医学会皮肤病与性病预防控制分会主任委员
中国整形美容协会微创与皮肤整形美容分会委员
胶原蛋白与皮肤组成
胶原蛋白是一种多糖蛋白，是细胞外基质(ECM)的主要成分，结构上具有独特的三重螺旋结构，使其分子结构非常稳定。胶原蛋白主要存在结缔组织中，例如软骨、骨头、肌腿、韧带和皮肤。虽然胶原蛋白分子大且结构复杂，但其氨基酸序列却简单而有规律，包括甘氨酸（约1/3）、脯氨酸和脯氨酸（各占14%左右）、色氨酸、酪氨酸以及蛋氨酸等必需氨基酸。
皮肤由细胞（主要是成纤维细胞、内皮细胞和角质细胞）和细胞外基质（ECM）如结构蛋白、胶原蛋白、层粘连蛋白、弹性蛋白、纤维蛋白、蛋白多糖、透明质酸、糖蛋白组成。
皮肤的真皮层主要由胶原蛋白和弹性蛋白组成，而胶原蛋白是最丰富的细胞外基质蛋白质，主要以l型和Ⅲ胶原蛋白为主，构成皮肤的绝大部分物质（干重的90%）。
真皮成纤维细胞：胶原蛋白的主要分泌者
真皮成纤维细胞被认为可以合成、重塑、沉积胶原蛋白和非胶原蛋白ECM，对皮肤再生和损伤修复至关重要。其作用包括：合成ECM、为其他细胞提供支架、释放生长因子、调节炎症以及组织纤维。
皮肤胶原蛋白的分泌调控
l型胶原蛋白作为ECM中含量最丰富的蛋白，其表达受转录水平的各种促纤维化和抗纤维化细胞因子和生长因子的调节。其中研究最多、最受人关注的就是转化生长因子-β（transforming growthfactor-p，TGF-β）。
越来越多的证据表明，TGF-B是l型胶原相关的生理、病理进程中的重要调节者。在体内、外引起了l型胶原的明显积聚，并与基因表达高度相关。TGF-β其通过介导Sma和Mad相关蛋白家族，调控靶基因发挥作用。Smad2和Smad3是TGF-β1受体调节型蛋白，磷酸化的Smad2、Smad3与TGF-β1的表达趋势类似，能够形成低聚物与胶原启动基因集合。
ECM的功能及胶原蛋白的检测
ECM是皮肤真皮的重要组成成分。因此在大多数与皮肤相关的研究（皮肤老化、皮肤再生、损伤修复）当中，都会检测ECM的情况。而真皮胶原蛋白是最丰富的ECM蛋白质，因此也是重要的研究对象。
ECM功能：为细胞和组织提供结构和方向；通过作为细胞迁移、增殖、凋亡、分化和粘附的模板来控制形态发生和细胞代谢；通过直接与整合素和其他细胞表面受体结合来调节细胞活性和功能作为生长因子的储存库并调节其利用。
胶原蛋白检测的方法：组织切片染色或免疫组化技术（Herovici染色、Masson's 染色）、RT-qPCR 、Western blotting。
胶原蛋白与皮肤衰老
1.皮肤的自然衰老
自然情况下胶原蛋白数量随着年龄的增长而减少，其含量的绝对值以平均每年1%的趋势下降，且女性比男性更为明显。胶原蛋白的下降会造成胶原纤维与弹性纤维排列紊乱、应力传导降低、抗剪切力减弱、皮肤含水量减少，从而出现皮肤干燥、松弛、变薄、皱纹增加、色斑等老化现象。
2.皮肤的外源性衰老
以紫外线引起的“光老化”最为常见和严重，而紫外线中的UVB是最主要的光损伤因素。UVB对皮肤损伤一方面通过活性氧和自由基激活细胞表面IL-1、TGF-α、EGF等受体，促进MMPs表达，从而降解胶原蛋白，另一方面通过抑制成纤维细胞和角质形成细胞TGF-B受体表达水平，从而减少胶原蛋白的合成。此外，UV还具有延缓细胞周期和抑制增殖、诱导细胞凋亡、诱发DNA损伤等作用。
3.胶原蛋白流失
皮肤的力学特性主要由胶原蛋白、弹力蛋白和透明质酸等细胞外基质成分含量和网状结构决定。其中胶原蛋白是人体真皮层含量最多的蛋白，约占皮肤干重的70-80%，在真皮层聚集成粗大纤维束并交织成网，是维护皮肤张力和承受拉力的主要成分，使皮肤外观充盈和饱满。
此外，胶原蛋白分子表面存在大量极性侧链，与水分子形成氢键相连，在胶原蛋白表面形成一层水膜，使胶原蛋白具有强度的水合和保水能力。因此，胶原蛋白减少会引起皮肤弹性下降、干燥、松弛、皱纹增加、面部塌陷、下垂等。
4.成纤维细胞老化
皮肤真皮中最重要的细胞成分是成纤维细胞，其数量减少、形态改变、分泌合成功能减弱或衰退与皮肤衰老密切相关。富含胶原蛋白的结缔组织由真皮成纤维细胞产生、组织和维持。成纤维细胞老化会导致的胶原合成减少，而成纤维细胞的增殖可以大量分泌胶原蛋白，补充和修复表皮和皮下组织。
胶原蛋白促进伤口愈合、皮肤再生
1.伤口修复的增殖期
成纤维细胞向伤口位置迁移和增殖，快速封闭伤口，分泌大量胶原蛋白，为伤口的最终修复和重建奠定基础。
2.新生胶原沉积是评估伤口愈合和再生程度的指标之一
在创面愈合过程中，成纤维细胞合成的胶原是细胞外基质的主要成分，创面部位胶原的存在对创面的最终修复具有重要意义。
皮肤损伤修复的研究方法：观察伤口息合情况及创面面积；检测肉芽组织及表皮生成、新生胶原沉积和新生血管及其相关炎症蛋白的表达。
外泌体调节真皮胶原蛋白生成，改善皮肤光老化
UV诱导的光老化和内在老化都通过阻断TGF-β信号通路来减少I型前胶原的合成，并通过上调TNF-α增强炎症和MMP的合成。
最近一项研究开发了一种无针装置的外泌体疗法，建立了人皮肤成纤维细胞(HDF)球体的三维(3D)培养，通过抑制UVB诱导的MMP1表达，恢复I型前胶原，激活TGF-β信号通路[1]，诱导真皮成纤维细胞表达上调TIMP-1和TGF-β，促进前胶原蛋白的产生以及抑制胶原蛋白降解。
胶原蛋白与肌肉
胶原蛋白构成肌肉组织的1-2%，占强壮的肌腿重量的6%。l型胶原分布于皮肤、肌腿、脉管系统、器官、骨骼（骨骼有机部分的主要成分）。成纤维细胞是生成胶原最常见的细胞。胶原蛋白在外泌体治疗肌肉再生中起着多方面的作用，有助于 ECM 重塑，减轻纤维化，改善毛细血管密度，并提高外泌体的治疗效果。
胶原蛋白参与肌肉纤维化，即骨骼肌中胶原蛋白的过度积累
——过量的胶原蛋白并非好事
1.成纤维细胞活化
成纤维细胞是骨骼肌中产生胶原蛋白的细胞。当组织受损时，成纤维细胞迁移到受损部位并开始产生胶原蛋白。这种胶原蛋白的产生是正常修复过程的一部分，但在纤维化的情况下，它变得过度，并导致癫痕形成。
2.胶原蛋白过度积累
在肌肉纤维化中，胶原蛋白上调，占肌肉体积的较大比例。这种胶原蛋白的过度积累会损害肌肉功能，导致永久性瘀痕组织的发展。
3.胶原组织的变化
在杜兴氏肌肉营养不良症等情况下，胶原组织的变化与肌肉纤维化有关观察到胶原纤维排列增加，这可能对肌肉功能产生机械影响。
外泌体调节肌肉组织中胶原蛋白的表达
外泌体介导细胞外间质（ECM）重塑：胶原蛋白是ECM的主要组成部分，为组织提供结构支持。对营养不良小鼠的研究结果显示，间充质干细胞（MSC）衍生的外泌体改善肌肉功能和减少胶原染色[2]，这表明MSC外泌体对肌肉完整性有积极的影响，并可能有助于减轻肌肉病变。
1.纤维化标志物的诱导
来源于DMD成纤维细胞的外泌体已被证明可以在对照成纤维细胞中诱导纤维化标志物（包括l型胶原蛋白）的表达增加[3]。这表明外泌体可以促进胶原蛋白和其他与骨骼肌纤维化相关的纤维化标志物的表达。
2.成纤维细胞的表型转化
肌肉中局部成纤维细胞（如卫星细胞）产生的外泌体可诱导正常成纤维细胞的表型转化。这种转化可能涉及胶原蛋白合成和沉积的改变，导致肌肉组织中胶原蛋白表达的改变。
3.预防纤维化
已经发现来自卫星细胞的外泌体在预防健康肌肉组织纤维化方面发挥作用[4]。这些外泌体可以调节肌肉成纤维细胞的胶原合成，并有助于维持组织内稳态和防止胶原过度沉积。
4.刺激肌肉再生
外泌体可以刺激肌肉再生和修复，这可能间接影响胶原蛋白的表达。例如，应用于肌肉成肌细胞的外泌体已被证明可诱导这些细胞的趋化性、增殖和分化[5]。这个过程可能涉及到肌肉再生过程中胶原合成和重塑的调节。
综上所述，外泌体可以通过促进纤维化标志物、诱导成纤维细胞表型改变、预防纤维化和刺激肌肉再生来影响肌肉组织中胶原蛋白的表达。现有的文献多是基于病理的情况下，研究外泌体对于肌肉再生和肌肉功能改善方面的作用。其中，胶原蛋白往往不是最终的结果，而是作为中间环节发挥着重要作用，最终结果往往是肌肉功能的改善。此外，对于胶原蛋白过度沉积导致的肌肉疾病，外泌体同样能在其中发挥调节稳态的作用。
【参考文献】
[1] Hu S, Li Z, Cores J, et al. Needle-Free Injection of Exosomes Derived from Human Dermal Fibroblast Spheroids Ameliorates Skin Photoaging. ACS Nano. 2019 Oct 22;13(10):11273-11282.
[2] Leng L, Dong X, Gao X, et al. Exosome-mediated improvement in membrane integrity and muscle function in dystrophic mice. Mol Ther. 2021 Apr 7;29(4):1459-1470.
[3] Zanotti S, Gibertini S, Blasevich F, et al. Potential role of exosomes in skeletal muscle fibrosis. Neuromuscular Disorders, 2017, 27:S169.
[4] Yeung CC, Schoof EM, Tamáš M, et al. Proteomics identifies differences in fibrotic potential of extracellular vesicles from human tendon and muscle fibroblasts. Cell Commun Signal. 2020 Nov 4; 18(1): 177.
[5] Rolland TJ, Peterson TE, Singh RD, et al. Exosome biopotentiated hydrogel restores damaged skeletal muscle in a porcine model of stress urinary incontinence. NPJ Regen Med. 2022 Sep 29;7(1):58.
本文作者：白鹭
审阅、修订：海琅
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