20240315 : 病理学的瘢痕化・筋線維芽細胞・細胞外マトリックス・リモデリング
線維芽細胞は、皮膚の恒常性の維持と生理学的組織の修復の調整において重要な役割を果たします。線維芽細胞は分泌して洗練された細胞外マトリックスに埋め込まれており、線維芽細胞とその微小環境の間には複雑で対話的な対話が存在します。細胞外マトリックスの分泌に加えて、線維芽細胞と筋線維芽細胞は細胞外マトリックス再構築酵素、マトリックスメタロプロテイナーゼとその阻害剤、およびメタロプロテイナーゼの組織阻害剤を分泌し、したがって細胞外マトリックスを再構築することができます。筋線維芽細胞とその微小環境は、組織修復中に進化するネットワークを形成します。このネットワークは、細胞分化、細胞増殖、細胞静止、またはアポトーシスに影響を与える相互作用を持ち、結合、隔離、および活性化によって成長因子の生物学的利用能に作用します。細胞が機械的ストレスにさらされ、機械的シグナル伝達が活性化されるため、機械的力も筋線維芽細胞の表現型の調節に役割を果たします。神経支配は、皮膚の修復プロセスと筋線維芽細胞の分化の両方にも関与しています。病理学的状況、例えば過剰な瘢痕化では、筋線維芽細胞とその微小環境との間の対話が変化または混乱し、組織修復の欠陥や肥厚性瘢痕に見られるような病理学的瘢痕化につながる可能性があります。筋線維芽細胞とその局所微小環境との間の親密な対話をより深く理解することが必要であり、これは新しい治療標的の同定や、異常な組織修復や瘢痕を治療または予防するための新薬の発見を助ける上で重要である。
損傷後の組織修復は、複雑で調整されたメカニズムが関与する複雑な現象です。過去 10 年間、多くの研究により、このプロセスに関与するさまざまな細胞プレーヤーに関する知識が増えましたが 、特に創傷治癒と瘢痕形成中に作用するさまざまな細胞集団間の対話に関しては、多くの灰色の部分が残っています。興味深いことに、治癒過程の開始時の炎症段階の異常な経過は、瘢痕形成後も長期間にわたって影響を与えるようです。さらに、細胞と細胞外マトリックスの関係は、瘢痕の正常な発達とリモデリングを理解する上で依然として重要な側面です。
皮膚は身体の外傷に対する主な保護を提供し、また一般的な恒常性の維持にも不可欠です。表皮の下に位置する真皮は、皮膚の最も厚い区画を表し、毛包、皮脂腺、汗腺などの特定の真皮付属器をサポートするコラーゲン線維の高密度の細胞外マトリックスネットワークで主に構成されています。真皮 (筋) 線維芽細胞は、細胞外マトリックスの合成と維持、および創傷治癒過程において主要な役割を果たしています 。治癒中に線維芽細胞が増殖して創傷空間に移動しますが、これらの細胞の起源はまだ明確に解明されていません。さらに、皮膚に存在する前駆細胞に関する研究は、多くの異なる細胞型に分化することができ、（正しく刺激されると）創傷治癒を促進し、障害のある患者や治療が困難な患者の修復プロセスを改善できる可能性がある興味深い細胞源を示しています。 - 傷を治癒したり、過度の瘢痕化の過程を修正したりすることができます。
傷を負った直後に治癒プロセスが始まり、傷ついた組織が（部分的に）回復します。創傷治癒は、時間的に重なり合う 3 つの動的で相互に関連する段階を経ます 。治癒過程中に創傷組織に見られる形態学的変化に基づいて、これらの段階は、炎症段階、増殖段階（肉芽組織の発達を伴う）および再上皮化段階、ならびに成熟および再上皮化段階を含むリモデリング段階として定義されます。傷跡の形成。炎症段階は毛細血管の損傷から始まり、失血によってフィブリンとフィブロネクチンからなる血栓が形成され、さらなる失血が止まります。したがって、創傷空間は、さまざまな細胞が移動できる足場を提供する暫定的なマトリックスで満たされます。創傷におけるケモカインの最初の供給源は、血餅中に存在する血小板であり、これらは脱顆粒して、炎症細胞、好中球、マクロファージの動員を刺激する複数の因子を提供します。同時に、線維芽細胞と内皮細胞は、これらの細胞に対して走化性のある成長因子によって誘引されます。続く治癒の増殖段階には、傷の中に新しい血管が成長する血管新生が含まれます。血管新生は、創傷の血管灌流を提供し、酸素と栄養素を供給し、線維芽細胞の増殖を含む細胞増殖に寄与するため、組織修復に不可欠です。創傷は正常な灌流を欠いているため、最初は低酸素状態にあり、低酸素自体が、血管新生を調節する因子を含む成長因子の放出にとって重要な刺激となる。増殖期では、血管新生が進行し、最終的にはより正常なレベルの灌流が再確立されます。血管新生の調節は、特に血管新生の遅延または異常が治癒障害に関与していることが示唆されている場合に、創傷修復を改善するための目標となる可能性があります。肉芽組織に存在する線維芽細胞は活性化され、筋線維芽細胞と呼ばれます。これらの筋線維芽細胞は、暫定的なマトリックスを徐々に置き換える細胞外マトリックス成分の合成と沈着を担っています 。筋線維芽細胞は収縮特性も示し、肉芽組織の収縮と成熟に主要な役割を果たします。治癒の第 3 段階である瘢痕形成には、肉芽組織の進行性リモデリングが含まれます 。このプロセスにおける主要な役割は、タンパク質分解酵素、特にマトリックスメタロプロテイナーゼ (MMP) のファミリーとその阻害剤 (メタロプロテイナーゼの組織阻害剤 [TIMP]) によって演じられます。その後、完全に停止するわけではありませんが、細胞外マトリックスの合成が減少し、マトリックスの再構築に伴ってマトリックスを構成する成分が変化します。肉芽組織に存在する主要なコラーゲンであるIII型コラーゲンは、傷のない正常な真皮の主要な構造タンパク質であるI型コラーゲンに徐々に置き換えられます。最後に、皮膚の弾力性に大きく関与し、肉芽組織には存在しないエラスチンも再び現れます。人間の深い傷では、エラスチン線維は傷の治癒後に完全な再生を示さず、欠陥があり、正常な構造組織を示さないためです。創傷治癒の回復段階では、血管細胞と筋線維芽細胞の両方のアポトーシスにより、肉芽組織の細胞数が大幅に減少します。筋線維芽細胞が静止表現型を再獲得して「正常な」真皮線維芽細胞表現型に戻ることができるかどうかは、まだ疑問の余地がある。
治癒プロセスのさまざまな段階。損傷後、炎症により肉芽組織が形成され、その間に筋線維芽細胞が出現します。顕著な血管新生も観察されます。その後、この肉芽の上に新しい表皮が発達します。
筋線維芽細胞表現型の形態学的および生化学的特徴
筋線維芽細胞の最も初期の記述は、電子顕微鏡の形態学に基づいて、平滑筋細胞の超微細構造の特殊化、特に顕著な細胞質マイクロフィラメントの束との類似性を示す超微細構造の特殊化を特定した。その後、筋線維芽細胞を定義するさらなる超微細構造マーカーおよび分子マーカーが同定されており、これには、細胞間接着および細胞マトリックス接着、ストレスファイバー、α平滑筋アクチンの発現が含まれます 。インビボとインビトロの両方で、細胞質内に顕著なマイクロフィラメント束を示す線維芽細胞（ストレスファイバーとして知られる）の存在が観察されます。ただし、これらの細胞は必ずしもα平滑筋アクチン陽性マイクロフィラメントを含むわけではありません。インビトロでは、これらの線維芽細胞はフィブロネクチンのスプライス変異体である ED-A フィブロネクチンを分泌することも示されています。これらの細胞は原筋線維芽細胞と呼ばれており、そのストレス線維にはβ-およびγ-細胞質アクチンのみが含まれています。原始筋線維芽細胞は結合組織に牽引力を及ぼすことができ、機械的ストレスによって誘発される可能性があります。ただし、筋線維芽細胞に完全に分化するには、トランスフォーミング成長因子 (TGF)-β1 による刺激が必要です (下記を参照)。完全に分化した筋線維芽細胞は、収縮により増大した力を発揮できるようになります。筋線維芽細胞と平滑筋細胞の発現パターンには、いくつかの違いがあります。平滑筋細胞は平滑筋ミオシン重鎖、スムーセリン、および h-カルデスモンを発現しますが、筋線維芽細胞は一般にこれらのマーカーに対して陰性です。筋細胞で通常発現される中間径フィラメントタンパク質であるデスミンは、正常な創傷治癒中に筋線維芽細胞がデスミン陰性であることが判明しているため、筋線維芽細胞の陰性マーカーとしても使用されています。病理学的瘢痕の一部の状態では、筋線維芽細胞がデスミン陽性であることが観察されています。全体として、α-平滑筋アクチンは平滑筋細胞および周皮細胞でも発現しますが、依然として筋線維芽細胞表現型の最も信頼できる表現型マーカーを表します。
組織の修復と瘢痕化における筋線維芽細胞の重要な役割、特に収縮における役割を考慮すると、そのような組織の収縮を調節する正確な機構を明確に特定する必要がある。自発的な細胞内Ca 2+振動の検査により、細胞内Ca 2+振動は接着結合を介して収縮する筋線維芽細胞間で調整されるが、線維芽細胞と非接触細胞の間ではランダムに発生することが示された。したがって、筋線維芽細胞の機械的結合の次のモデルを提案できます。個々の細胞の収縮は接着結合を介して伝達され、隣接する細胞の機械感受性イオンチャネルの開口につながります。結果として生じるCa 2+の流入は収縮を誘導し、最初の細胞にフィードバックしたり、接触する他の細胞を刺激したりして、細胞が合胞体のように機能できるようにします。筋線維芽細胞の活性を調整するこのメカニズムは、細胞密度の高い組織のリモデリングを改善する可能性があります 。
筋線維芽細胞の細胞起源
局所結合組織からの線維芽細胞の補充が、創傷における筋線維芽細胞の主要な供給源であると一般に認められている。創傷の縁に位置する真皮線維芽細胞は、筋線維芽細胞の表現型を獲得し、組織修復に役割を果たすことがあります。ただし、線維芽細胞部分集団にはかなりの不均一性があります。これらの線維芽細胞の亜集団は皮膚内のさまざまな場所に存在し、特定の活性化および不活性化特性を持っています。真皮には少なくとも 3 つの亜集団が同定されています。表層 (または乳頭状) 線維芽細胞 (真皮乳頭層は深さが約 300 ～ 400 μm で、隆起状の構造として配置されています)、真皮深層に存在する網状線維芽細胞 (皮膚の表面に平行に配置された厚いコラーゲンおよびエラスチン繊維）、および毛包に関連する線維芽細胞。これらの細胞部分集団は、細胞培養のために単離することができ、皮膚サンプルの年齢と性質に応じて、in vitro で表現型に明確な違いを示します。
最近、局所間葉系幹細胞も組織修復プロセスに関与している可能性があることが示唆されています。これらの前駆細胞は、上皮幹細胞に面した、毛包の外側を取り囲む真皮鞘内で同定されています。これらの細胞は毛乳頭の再生に関与しており、損傷や損傷後に創傷治癒筋線維芽細胞に分化することもできます。
最近のデータは、組織修復プロセスにおける線維細胞と呼ばれる循環細胞の役割も示唆しています。線維細胞は炎症細胞と同時に損傷した皮膚に侵入し、筋線維芽細胞の表現型を獲得する可能性があります。熱傷では、線維細胞が傷に浸潤し、局所的な炎症反応を刺激し、さらに細胞外マトリックスタンパク質を分泌するため、熱傷後に見られる病的（肥厚性）瘢痕の一因となることがあります。
別の骨髄由来の循環細胞も、組織修復に役割を果たすことが示唆されています。間葉系幹細胞は、正常な結合組織と損傷した結合組織の両方に存在する骨髄由来の非造血前駆細胞であり、組織に浸潤して組織の維持と修復に寄与します。実際、これらの細胞は、創傷治癒中に見られるものと同様に、いくつかの臓器に播種し、筋線維芽細胞に分化する能力を持っています。損傷した組織または器官にこれらの細胞が浸潤する程度は、組織損傷の重症度によって異なります。
最後に、分化上皮または悪性上皮（または内皮）の上皮から間葉への移行は、細胞外マトリックスの産生を担う線維芽細胞または筋線維芽細胞に表現型の変化を引き起こす可能性があります。この機構は現在、組織損傷後の線維形成において重要な役割を果たすものとして受け入れられているが、正常な組織修復においてはあまり顕著な役割を果たしていないように思われる。全体として、循環線維細胞、間葉系幹細胞、上皮または内皮から間葉への移行、または骨髄由来の細胞に由来する筋線維芽細胞は、その数が修復およびリモデリングのプロセスに不十分な場合に、局所的な線維芽細胞の動員と分化を補っている可能性があります 。
筋線維芽細胞の表現型の制御
創傷治癒と皮膚の恒常性は、多くのサイトカインと成長因子によって制御されています。一部の成長因子は肉芽組織の形成や線維芽細胞の活性に直接作用しますが、その他の成長因子は血管細胞や上皮細胞に影響を与えます。線維芽細胞に直接影響を与える因子の中で、TGF-β1 は筋線維芽細胞の分化の強力な誘導因子であるため注目に値します 。TGF-β1 は、α-平滑筋アクチンの発現を誘導する役割に加えて、細胞外マトリックスタンパク質の合成も強力に刺激します。TGF-β1 はまた、TIMP 発現を刺激しながら MMP 活性を低下させることにより、MMP とその阻害剤である TIMP の間のバランスに影響を及ぼし、マトリックスの沈着を促進します。線維芽細胞から筋線維芽細胞への分化に対する TGF-β1 の作用には ED-A フィブロネクチンの存在が必要であり、成長因子の活性化、細胞外マトリックス、および細胞機能の調節の間の密接な関係が強調されています 。顆粒球マクロファージコロニー刺激因子が生体内で筋線維芽細胞の数も増加させる可能性があることに注目するのは興味深いことです。しかし、これはTGF-β1の活性化とマクロファージの動員によるものである可能性が最も高く、それによってTGF-β1のレベルと利用可能性が増加します。最後に、マイクロRNA (miRNA) は、線維症状態と癌の両方における筋線維芽細胞の誘導にも関与していると考えられています。具体的には、miR-21 の発現は、筋線維芽細胞表現型の高レベルの TGF-β1 刺激と相関しているようです。最近の研究では、この根底にあるメカニズムは TGF-β1 阻害経路への影響による可能性があることが示唆されています。筋線維芽細胞の分化および活性に対する作用を介して、線維症の制御における miRNA の効果についての理解が深まれば、線維症および瘢痕化の抑制を目的とした治療において miRNA を標的とすることが可能になる可能性があります。
細胞が筋線維芽細胞の表現型に向かって分化するにつれて線維芽細胞の表現型に観察される変化は、原始筋線維芽細胞の出現から始まります。
病理学的瘢痕化および線維症における筋線維芽細胞の役割
場合によっては、創傷治癒が病理学的経過で進行し、病理学的瘢痕化が生じることもあります 。このような異常な修復プロセスは、肉芽組織のリモデリング障害の結果であり、例えば、肥厚性瘢痕またはケロイド瘢痕の形での皮膚の異常な修復や、内臓の線維化を引き起こす可能性がある。肥厚性瘢痕などの皮膚の過剰な瘢痕の場合、おそらく成長因子の異常かつ過剰な分泌、および/または正常な治癒に関与する分子の欠乏が原因で、正常な治癒が失敗し、肉芽組織が拡大し続けます。アポトーシスの誘導または細胞外マトリックスのリモデリング。損傷に対する反応を引き起こす刺激が内臓に持続すると、細胞外マトリックスの過剰な沈着が臓器の線維化を引き起こします。皮膚の病理学的治癒で観察されるように、線維症の発生とその慢性的な性質は、マトリックスの沈着とマトリックスの分解の間の不均衡の結果である可能性があります。この根底にあるメカニズムは、MMP とその阻害剤である TIMP のレベルの不均衡である可能性が最も高くなります。
肥厚性瘢痕とケロイドはどちらも、細胞外マトリックスの異常な蓄積を特徴としています。ただし、これらは 2 つの非常に異なる皮膚病変を表しています。肥厚性瘢痕の場合、傷跡は病変の周囲を超えて広がりませんが、ケロイドは元の病変の縁を超えて広がります。α-平滑筋陽性の筋線維芽細胞は肥厚性瘢痕に豊富にあり、特に瘢痕組織が機械的張力を受ける領域に位置する場合、これらの細胞は収縮して瘢痕の退縮を誘導します。これは、傷跡が肩、肘、手首、膝、足関節などの関節に隣接している場合に特に当てはまります。逆に、ケロイドでは退縮は起こりません。肥厚性瘢痕の発生は重度の火傷後によく観察され、長期にわたる炎症が肥厚性瘢痕のリスク増加に寄与しているようです。逆に、静脈性下肢潰瘍などの慢性創傷では、炎症誘発性サイトカインと MMP の混合物により、マトリックスの沈着と修復の失敗につながる長期にわたる炎症が見られる場合もあります。したがって、創傷の洗浄後は、治癒の炎症段階に費やす時間を制限することを目的として、可能な限り迅速な回復をもたらすことを目的とした治療を行うべきであることが示唆されている。
機械的張力の役割
筋線維芽細胞は、その収縮性と細胞外マトリックスとの密接な関係の両方により、機械的環境に敏感であり、機械的シグナル伝達が筋線維芽細胞の活性の調節に重要な役割を果たすことが示されています 。ストレスファイバー、ED-A フィブロネクチン、α-平滑筋アクチンの発現などの筋線維芽細胞の分化マーカーは、機械的張力の増加にさらされた肉芽組織で早期に現れます。これは、全層創傷にプラスチックフレームを副子で固定し、これを副子を付けていない正常に治癒している肉芽組織と比較する実験で示されています。さらに、機械的な力は、さまざまな剛性の基板上で線維芽細胞を培養することによって変更でき、これらの実験では、基板のコンプライアンスに依存して線維芽細胞の表現型が変化することが示されています。培養において、柔軟で従順な基材上で増殖した線維芽細胞はストレスファイバーの発現を示さないが、基材の剛性を高めると形態の急速な変化とストレスファイバーの出現が誘導される。培養線維芽細胞では、液体の動きによるせん断力によって TGF-β1 合成が増加し、筋線維芽細胞の表現型への線維芽細胞の分化が刺激されます。せん断力は、通常は分化に関与する他の刺激、たとえば、サイトカインへの曝露や、TGF-β1 のバイオアベイラビリティを調節する細胞外マトリックスの事前ひずみなどの非存在下でも、線維芽細胞の分化に影響を与える可能性があります。上で述べたように、筋線維芽細胞の活性を刺激する際の機械的ストレスの役割は、マウスの機械的ストレスを受けた皮膚創傷を用いた実験でも示されています。これらの創傷は引き伸ばされたり副木で固定されたりするため、機械的負荷が増加し、その結果、筋線維芽細胞の活動が増加し、瘢痕形成が増加します。これらのモデルは、人間で時々観察される肥厚性瘢痕をある程度模倣しています。したがって、創傷の機械的環境と存在する張力は、瘢痕化を軽減するために考慮および管理する必要がある重要な要素です。この目的を達成するには、創傷の制御された固定化を採用する必要があります。
皮膚治癒における神経支配の役割
最近、皮膚の神経支配が正常な創傷治癒と病的な創傷治癒の両方において重要な役割を果たしていることが示されています。しかし、創傷治癒中の感覚神経支配と自律神経支配の正確な役割はまだ明確に確立されていません 。
ケラチノサイト、メラノサイト、線維芽細胞、筋線維芽細胞はすべて、神経成長因子、ニューロトフィン-3、脳由来神経栄養因子などのさまざまなニューロトロフィンとその受容体を発現することが示されており、これらは細胞の増殖と分化を促進します。カルシトニン遺伝子関連ペプチド、サブスタンス P、血管作動性腸管ペプチドなどの神経ペプチドは、MMP-2 と MMP-9 の活性を調節することができ、どちらも肉芽組織のリモデリングと瘢痕形成に重要な役割を果たします。さらに、これらの神経ペプチドは皮膚の創傷治癒中に I 型および III 型コラーゲンの合成にも作用し、真皮線維芽細胞の接着と筋線維芽細胞への分化を促進します。細胞外マトリックスの構成に依存する機械的微小環境が線維芽細胞から筋線維芽細胞への分化に影響を与える可能性があることが十分に確立されているため、細胞外マトリックスの組成およびその構成に対するこれらの神経ペプチドの影響は確かに不可欠です。最後に、MMP の制御は、MMP が関与する潜在的な TGF-β1 のその後の活性化にも影響を与える可能性があります。
皮膚の損傷は、免疫細胞と感覚神経終末の両方から多くの炎症性メディエーターの放出を誘発します。これらには、インターロイキン-1β、腫瘍壊死因子-α、ブラジキニン、サブスタンスP、カルシトニン遺伝子関連ペプチド、神経成長因子、およびプロスタグランジンが含まれ、これらの細胞によるそれらの放出は、創傷内に存在する「炎症スープ」の一因となります。サブスタンス P レベルの変化が、肥厚性瘢痕に見られる異常な創傷治癒反応に関与している可能性があることが示唆されています。さらに、線維芽細胞と神経突起の共培養では、これらの細胞の直接接触により筋線維芽細胞の分化が誘導され、創傷修復で見られる収縮を模倣するコラーゲン格子の収縮の増加につながることが観察されています。
ケロイドでは、神経線維密度が正常な皮膚サンプルよりも著しく高く、かゆみ、痛み、熱や寒さに対する異常な熱感覚閾値、熱感覚に伴う痛みなどの症状がすべて報告されており、ケロイドにおける小さな神経線維の関与を示唆しています。この病気の発症機序。肥厚性瘢痕では、公表されたデータは、報告されている神経線維数の減少または増加と一致しません。それにもかかわらず、慢性的な痛みを伴う熱傷患者では、異常な皮膚神経支配が報告されています。最近、同じ患者の健康な皮膚と火傷後の傷跡を比較したパイロット研究が発表されました 。これらの著者らは、神経支配の調節に関与する遺伝子の発現を調べ、さらに神経終末の表皮内の密度も調べた。健康な皮膚と火傷後の傷跡を比較すると、発現パターンに有意な差が観察されました。機械的負荷によって誘発される肥厚性瘢痕のマウスモデルの研究に基づいて、皮膚の神経支配と存在する炎症レベルの両方が肥厚性瘢痕の発症に役割を果たしている可能性があることが示唆されています。
皮膚の創傷治癒における感覚神経系の役割は、神経除去のいくつかの動物モデルを使用して調べられています。化学的除神経と同様に、外科的除神経が使用されており、また、除神経をもたらす遺伝子改変を施したマウスも使用されている。外科的除神経を用いた研究では、これらの動物では、創傷に浸潤する炎症細胞の数の減少、創傷の収縮の遅延、および再上皮化の遅延が観察され、創傷治癒が遅れることが示されています。6-ヒドロキシドーパミンの腹腔内投与によって誘発される化学的交感神経切除術を用いた別の皮膚除神経モデルも、除神経が創傷治癒を妨げることを示した。6-ヒドロキシドーパミン誘発交感神経切除術は、創傷収縮の増加、マスト細胞遊走の減少、および再上皮化の遅延により、創傷治癒を変化させることも示されています。治癒におけるこれらの変化は、神経性炎症の減少と関連しています。最後に、これらの研究は、感覚線維によって放出される神経ペプチドが創傷治癒中に重要な役割を果たし、特に肉芽組織に影響を与えることを決定的に示した。
まとめ
筋線維芽細胞は、創傷治癒における重要な細胞です。筋線維芽細胞のアポトーシスの欠如が過剰な瘢痕化を引き起こす主要なメカニズムであることがますます明らかになってきています 。生存促進機構、特に機械的環境に関連する機構をブロックし、筋線維芽細胞の表現型を改変して細胞外マトリックスの過剰な沈着を再構築できる細胞を取得することは、瘢痕形成を積極的に調節できる治療選択肢を開発する新しい方法を確実に示している。
・筋線維芽細胞は肉芽組織の形成中に主要な役割を果たし、TGF-β1 は筋線維芽細胞の分化に関与する主要な可溶性因子です。
・筋線維芽細胞は、機械伝達経路を通じて、機械的環境に対して非常に敏感です。
・筋線維芽細胞のアポトーシスと細胞外マトリックスのリモデリングは、正常な瘢痕形成に必要です。
・異常な機械的張力は肥厚性瘢痕の発生を促進します。
・皮膚の恒常性と正常な創傷治癒を維持するには、正常な神経支配と神経ペプチド分泌が必要です。