瘢痕是皮肤全层损伤后不可避免的结果，而增生性瘢痕与瘢痕疙瘩是皮肤伤口愈合过程失调的产物，力学因素在决定伤口外观的过程中具有重要作用。通过广泛查阅近年来瘢痕及伤口愈合中涉及的生物力学相关文献，该文就瘢痕形成中的生物力学因素、瘢痕的力学模型以及瘢痕中力学相关治疗进行回顾与总结，并分析未来的发展方向。
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瘢痕异常增生是常见的病理性改变并严重影响患者的身心健康，目前其发病机制尚未完全阐明且无特效治疗方法。生物力学在瘢痕的形成及治疗中十分重要，瘢痕中多种细胞对力学因素高度敏感，张力升高时可能出现机械响应的旁分泌网络，使纤维增生的恶性循环长期存在，如增生性瘢痕(hypertrophic scar, HTS)与瘢痕疙瘩好发于前胸等皮肤高张力部位[1]。本文以伤口愈合的3个阶段为切入点，结合瘢痕力学模型，综述了瘢痕形成及治疗过程中的力学机制，分析并预测其中潜在的力学治疗靶点，为瘢痕的防治提供了新理论和方法。
伤口愈合过程包括炎症反应期、增生期和重塑期，愈合失调会导致瘢痕异常增生[2]。了解瘢痕形成中的生物力学机制，可能为瘢痕的防治提供精确靶点。
机械力可以持续激活急性炎症通路，从而形成类似慢性炎症的环境，炎症期延长导致纤维化，诱发瘢痕过度增生。越来越多的研究表明，在力学因素刺激下，大量浸润的巨噬细胞表型转换等改变对瘢痕的异常增生具有重要影响[3,4,5,6]。
巨噬细胞包括具有促炎作用的M1型和具有组织重塑作用的M2型巨噬细胞，二者均参与了伤口愈合的过程。巨噬细胞数量增加是HTS与瘢痕疙瘩的特征之一[7]。体外实验表明，机械力对巨噬细胞表型的影响具有双向性，对黏附在支架上的巨噬细胞施加循环拉力，可观察到M2/M1比例在7%的应变下升高，而在12%应变下降低，提示较低的张力可能维持微环境稳态，而异常的拉伸则可能启动炎症反应[8]。人体体表各部位驻留的免疫细胞群体由于皮肤张力的不同而具有差异，这意味着在人体中巨噬细胞也可能会受这种力学导致的双向性影响。瘢痕疙瘩好发部位的正常皮肤与非好发部位相比，含有较少的M1型巨噬细胞，即处于炎症抑制状态，也意味着在损伤时，此处皮肤的炎症反应期将延长，巨噬细胞会更易向促纤维化的M2型转变，以上均可导致瘢痕的过度增生[9]。需明确的是，上述体外实验中循环拉力为单一影响因素，无法反映体内复杂的生理条件，因此与体内得出的结论不一致也合乎情理，但机械力对巨噬细胞表型的双向调控是毫无争议的。除了受宏观的皮肤力学调控外，巨噬细胞所处的微观物理环境也对其产生了不可忽视的影响。细胞外基质(extracellular mitrix, ECM)刚度是指ECM在受力时抵抗弹性变形的能力，巨噬细胞可以感受ECM的刚度、硬度等变化，并通过调节迁移速度、分泌细胞因子等方式给予反馈。例如有研究表明，在较硬的ECM上巨噬细胞增殖加快[7,10]。机械敏感的淋巴细胞活化也可激活巨噬细胞，在伤口处施加额外的机械力会破坏伤口ECM的稳定性，导致黏着斑激酶(focaladhesion kinase, FAK)活化后经细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase, ERK)释放机械敏感的单核细胞趋化蛋白1[11]，这种趋化因子不仅能够激活T淋巴细胞进而活化巨噬细胞，还可调节促纤维化的单核巨噬细胞活性，加剧巨噬细胞介导的炎症反应，促进纤维化过程[3,4,11]。
力学刺激促使增生期中成纤维细胞(fibroblasts, FBs)大量增殖并向肌成纤维细胞(myofibroblasts, MFBs)分化、ECM过度产生且性质改变、伤口收缩、角质形成细胞(keratinocyte, KC)再上皮化延迟，最终导致HTS及瘢痕疙瘩产生。如何进行防治？需先明确其中的力学机制。
人真皮FBs是形成HTS必不可少的机械敏感细胞[12]。人体不同部位的皮肤具有不同的力学特性，与之相似，FBs在不同部位、同一真皮层内或同一瘢痕疙瘩中也具有异质性[13]。王志国等[14]对比了人上臂内侧与背部皮肤的正常FBs对周期性机械力的反应，发现背部FBs在加力36 h及48 h后，整合素β1、P130-Crk相关底物、转化生长因子β1(TGF-β1)的mRNA表达水平均高于上臂内侧FBs，提示张力较大的背部皮肤FBs具有更敏感的力学反应，这可能是瘢痕疙瘩与HTS好发于张力较高部位的原因之一。在胶原水凝胶构建的瘢痕疙瘩三维模型中，与位于边缘的瘢痕疙瘩成纤维细胞(keloid fibroblasts, KFs)及未受累皮肤的FBs相比，病变中心的KFs在短时间内可对胶原水凝胶基质施加更强的收缩力，而无瘢痕愈合的共性却是伤口不收缩，这也间接反映了KFs的力学异质性会促使瘢痕疙瘩发生发展[15,16]。
在HTS中，紧绷无弹性的皮肤将张力传递至FBs使其过度活化，导致胶原与纤维连接蛋白过度产生，从而改变了ECM的成分与结构、增强了细胞外应力[17]。细胞外增强的应力刺激又从ECM传递至FBs的细胞膜，激活了连接于ECM与细胞骨架之间的整合素受体，继而启动了黏着斑的装配，许多信号蛋白和结构蛋白募集到黏着斑上，其中包括FAK[18]。FAK在ECM与细胞内通路的连接中具有十分重要的地位，机械力可通过FAK经整合素-细胞骨架-LINC复合体通路促使HTS发生[19]，或经TGF-β通路、Wnt通路以及ECM传入的其他胞外信号磷酸化激活ERK、蛋白激酶B，使β-连环蛋白、Smad、Yes相关蛋白，含PDZ结合基序的转录共激活因子等效应分子入核，促进胶原蛋白产生并调控下游促纤维化靶标[1]。此外，FAK使ERK入核后还可过表达富亮氨酸α2糖蛋白1，促进病理性血管生成并加剧瘢痕异常增生[12]。炎症信号通路也能通过FAK将机械力与皮肤纤维化串联[12]。
原子力显微镜显示，KFs较正常FBs软，并无法感知所处培养基的基质刚度，当细胞不能感知机械力变化时，会发生与肿瘤细胞相同的崩溃性接触抑制与生长，这或许是瘢痕疙瘩侵入周围正常皮肤的原因之一[20,21]。KFs这种生物力学特性的转变可能是通过显著下调细胞力学相关的小凹蛋白1，并上调成骨相关转录因子RUNX-2导致[21]。与之相反，FBs能够感知周围环境基质的力学变化并调节自身生物学特性，如FBs的形态在较硬培养基的基质中会发生改变并分泌大量应力纤维，在较软的基质中则不会[16]。另有多项研究表明，对FBs施加额外的力学刺激，也能促使其生物学行为的改变。在模拟负压吸引下伤口闭合的实验中，利用抽吸作用使FBs轻微变形，观察到其增殖能力增强，Ⅰ型胶原α1、TGF-β1、α-平滑肌肌动蛋白等表达显著上调[22]。同时，循环拉伸可诱导正常FBs向HTS的FBs转变[23]。
MFBs是形成瘢痕的主要效应细胞。伤口周围力学环境改变与炎症细胞分泌的TGF-β1均可刺激包括FBs在内的多种细胞向MFBs转化[7,24,25]。相比于FBs，MFBs能够分泌更多胶原，高表达α-平滑肌肌动蛋白和应力纤维，并将α-平滑肌肌动蛋白组成微丝束，显著促进伤口收缩[5,16]。伤口收缩则进一步触发了纤维化及瘢痕形成和组织重塑[16,26]。当植入一种名为"真皮再生模板"的胶原支架抑制伤口收缩时，可观察到MFBs密度降低、无法组装或不能轴向排列，此时虽然收缩过程受阻，但再生过程得以正常进行，从而减少了瘢痕形成甚至达到无瘢痕愈合，这也说明了负调节MFBs有助于瘢痕的防治[26]。此外，MFBs与ECM之间还存在机械正反馈环路，如MFBs可分泌透明质酸和特征性ED-A纤连蛋白等多种蛋白、裂解原胶原纤维或利用蛋白酶以调控重塑后的ECM，增加其硬度与应变[7]。在增加的ECM刚度与机械激活的TGF-β1的双重刺激下，MFBs逐渐活化继而分泌大量胶原，促使ECM进一步变硬，再次激活MFBs[27]，这种联动的反馈机制将在重塑阶段详述。
表皮由多个KC在物理上通过黏附连接及桥粒耦合在一起。表皮完整性破坏时，伤口边缘的KC松解桥粒(半桥粒)的连接，并重组自身细胞骨架，形成上皮舌状物迁移至伤口中，随后通过黏附连接相互组合，形成伤口边缘的收缩环，以促进伤口闭合。同时，KC还与FBs及富含胶原的ECM相互作用，通过"再上皮化"的复杂过程重新覆盖创面[28,29,30]。伤口周围异常的生物力学刺激会改变KC迁移、增殖等过程，导致"再上皮化"延迟，促使瘢痕疙瘩与HTS的发生。体外实验表明，KC在较硬的聚丙烯凝胶基质上迁移及克隆形成速度较慢[31]。而较硬的硅胶基质可激活表皮生长因子通路使KC增殖加快。在瘢痕疙瘩中表皮生长因子通路也是激活的，且瘢痕疙瘩的硬度约为正常皮肤的30倍[32]。这种病理性硬基质可能是KC迁移减慢导致创面愈合延迟，却同时异常增殖，导致瘢痕疙瘩表皮增厚的触发因素之一[33]。综上所述，KC也是力学刺激导致的瘢痕异常增生过程中不可忽视的角色。
重塑期旨在恢复皮肤的完整性，MFBs的命运决定了伤口是否发展为HTS与瘢痕疙瘩。生理性伤口闭合时，MFBs凋亡或恢复为静态FBs而减少。但过度纤维化时，MFBs延迟凋亡，持续表达胶原蛋白和其他ECM成份[5]。ECM生成过多不仅使HTS的硬度增加，同时也暴露了隐藏在其中的促纤维化蛋白的结构域，二者均导致MFBs生成速度加快，从而加剧了纤维化基质的过度合成，并形成了继续纤维化的正反馈循环[6,7]。在三维培养的MFBs中可观察到相似结果，即生长在较硬的基质中的MFBs在TGF-β1的协同作用下完全分化并启动纤维化循环[16]。同时，体外培养的MFBs可对ECM进行周期性拉伸，并通过这种拉伸吸引远处其他种类细胞，这与体内实验证实的经MFBs重塑后的ECM为巨噬细胞的活化提供了机械刺激的结果一致[7]。而在异常瘢痕中活化的巨噬细胞可直接分泌基质金属蛋白酶调控ECM，也可刺激FBs向MFBs分化，参与肉芽组织的纤维化，加剧瘢痕的发生发展[3,34]。综上，力学因素可使重塑期炎症迁延不愈、ECM过度沉积、MFBs持续存在，最终使皮肤过度纤维化并形成HTS或瘢痕疙瘩。
全面的瘢痕力学研究需借助多种形式的体内、体外模型，以便最大程度上模拟人体内条件，以期为后续机制研究及临床实践提供坚实基础。
目前较常用的二维瘢痕力学模型是从人皮肤样本中获取原代FBs后，接种在涂有Ⅰ型胶原蛋白的6孔柔性硅胶板上，使用Flexcell-5000T张力系统[35]或Flexercell Tension Plus系统[36]等进行单轴循环拉伸。由于瘢痕受力方向并不单一，Lee等[37]发明了一种功能相似的双轴气动细胞拉伸平台以培养模式化排列的细胞，可施加环形拉力。此外，为了施加更精确可控的张力，Bush和Maruthamuthu[38]设计了磁性细胞拉伸仪，可获得纳米牛顿级别的拉力。但二维模型中仅能呈现细胞在体外实验中的反应，无法还原体内真实情况，因此三维模型应运而生。
与二维模型相比，细胞在三维培养中的反应更生理化。并且在三维系统中培养的皮肤原代细胞(如FBs和KC)还可以进行个性化的机制和转化研究。目前，三维皮肤组织模型主要分为2种：(1)无支架球体三维组织模型，一种通过单个细胞的重力进行自组装而产生的非黏附细胞聚集体，可还原器官和肿瘤组织的许多特性。在瘢痕力学方面，三维无支架模型的应用暂未见相关报道[39]。(2)三维支架模型，三维支架模型是细胞在有支撑支架(水凝胶支架或聚合物纤维支架)的情况下生长而成。与无支架模型相比，它们在结构和功能上更接近活体组织。在瘢痕力学研究中，由于体外三维模型不依附于培养皿生长，难以对其施加类似的张力，因此尽管二维拉伸器的设计种类繁多，但三维拉伸器的设计却十分受限[40]。有学者对三维支架模型的底层弹性基底板施加张力，但三维模型的纵向受力明显不均，难以得到理想的效果[41]。Roitblat等[40]使用了一种名为"Smart Cyclic Uniaxial Stretcher"的装置，将可穿刺的弹性有机硅胶条固定在三维模型周围对其施加张力，使整个凝胶在厚度上受力相对均匀，这项发明有利于模拟生理条件中皮肤在张力下的受力状况。未来三维模型的不断完善将为皮肤及瘢痕的力学研究奠定坚实的基础。
尽管瘢痕疙瘩是人类特有的疾病，但在诸多动物中均可构建HTS模型，如：猪、小鼠、大鼠、兔、羊等。其中小鼠是当前较常用的瘢痕力学研究模型，Gao等[35]利用了特制的机械拉伸装置在小鼠背部切口进行连续10 d的渐进性拉伸构建了HTS模型。但小鼠与人皮肤存在较大差异，而猪作为与人类皮肤相似的动物模型，在瘢痕力学研究中也占有十分重要的地位[16,42]。Carney等[43]使用一种自动压力传送系统在杜洛克猪胸部的HTS处持续施加2周压力，以研究加压治疗对HTS的影响，并观察到加压后弹性蛋白表达水平增高。Liu等[44]构建了巴马小型猪的HTS模型，使用自制弹性针织设备对HTS进行加压治疗30～60 d后，发现TGF-β1、α-平滑肌肌动蛋白和Smad3基因表达下调。综上，这些HTS动物模型可在一定程度上模拟人体瘢痕，并进行相对可靠的机制研究。
如何减少伤口的张力是预防瘢痕异常增生的必要条件。术前设计切口应平行于朗格氏线或应用S形切口，也可使用医源性扩张器以减少对合张力[45]。术中常用V-Y成形术、Z字成形术、W成形术、局部皮瓣转移术、皮内缝合法及特殊缝线等方法在术中减小缝合应力，显著减少瘢痕产生[46,47,48]。术后张力性治疗有皮肤减张器(皮肤牵张器)、创面胶带、皮肤粘合剂、附着于皮肤的机械闭合装置、无创可调力组织桥、压力治疗等[49]。
目前最常用的瘢痕力学治疗为压力疗法，其机制可能为通过压闭皮肤毛细血管导致缺氧，从而降低瘢痕组织的新陈代谢，或通过抑制胰岛素样生长因子(IGF-1/IGF-1R)通路，减缓瘢痕中FBs的增殖与分化，最终使胶原纤维合成减少[50,51]。近年来针对瘢痕生物力学特性设计的小分子药物也在瘢痕的治疗中起到了积极的作用，如成纤维细胞生长因子2及白介素-1β可抑制α-平滑肌肌动蛋白的表达及MFBs的产生，并拮抗TGF-β1以阻止纤维化过程，γ-干扰素可阻滞胶原沉积及伤口收缩，PF-573228可竞争性抑制FAK以显著降低瘢痕中的力学影响，PRM-151可上调血清淀粉样P物质以逆转组织的纤维化，曲古抑菌素A能够上调小凹蛋白1，使基质刚度增加，从而降低KFs的迁移能力，以治疗瘢痕疙瘩[16,21,52]。
力学从宏观的物理因素，到微观的基因层面，都影响着瘢痕的发生、发展及预后。多种基于力学机制的治疗方式都能有效减轻瘢痕形成。在伤口愈合的3个阶段中，学者们已针对增生期与重塑期中的关键细胞如FBs及MFBs等进行了深入的力学研究，并探索出了一些有效的靶向防治方法，而炎症反应中的力学因素常被忽视，巨噬细胞一旦活化可释放大量炎症因子或加剧纤维化，是否可利用其力学性质对其活化过程加以干预，从源头上遏制瘢痕的产生，仍需更多研究证实。随着科技的发展和瘢痕形成相关生物力学调控机制的进一步阐明，针对瘢痕中力敏结构设计的靶向治疗必将成为未来防治瘢痕的重要手段之一。
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