皮肤创伤治疗机理的力学生物学研究

Cutaneous wound healing is a complex process with many types of mechanical forces involving the quality and speed of healing. At present, the role of mechanical forces in regulating tissue growth, repair and remodeling is important but yet to be fully elucidated. In this study, our aim is to explore how these mechanical forces influence scar formation and repair by suturing and closure of wound. It consists four parts: 1)Mecanical stimulations induce mechanobiology response in skin cells. 2)A meshless computation model of skin simulating the real skin is presented. The skin is represented by an orthotropic-viscoelastic constitutive law and endured by pre-stress. 3)The biomechanical model could be used to analyze the stress distribution and deformation of varying suturing and closure of wound. 4)The animal experiments with different treatment fashions in vivo include：detection of the fibroblasts proliferation, collagen I, collagen III, proteoglycan and fibronectin density, and observation of the arrangement of collagen fibers from skin tissues of stress concentration, compression stress, stretch stress. By analyzing the experiment and simulation results, how the mechanical factors influence the scar formation, repair and remodeling will be elucidated in tissue cell and molecular levels from biomechanics viewpoint. It will provide optimal plan and theoretical support for clinical wound treatment to increase the wound healing rate and decrease scar formation.

皮肤损伤修复是极其复杂过程，其中有多种力学因素参与调节治疗的质量和速度。力学因子如何参与调节皮肤组织生长、修复和重构，其机理还有待更深入的研究。本项目拟探索临床手术引起的应力环境改变对瘢痕形成和修复的影响，内容包括：1）阐明力学刺激下皮肤中表皮细胞和真皮细胞的力学生物学响应以及信号传导机制；2）构建可以模拟真实皮肤的力学模型；3）用生物力学模型模拟不同治疗方案的应力分布和变形程度。4）动物实验中，对应不同治疗方案，在应力集中处、对合处、伤口附近和远离伤口处，进行成纤维细胞增生，细胞外基质中I型和III型胶原蛋白、蛋白多糖、纤维粘连蛋白、胶原酶等相关指标的检测，以及胶原纤维排列的观察。对实验和模拟结果进行对照分析，从力学生物学角度，在组织、细胞和蛋白大分子层次阐明力学因素如何影响瘢痕组织的形成、修复和重构，为临床优化治疗方案、提高伤口治愈率、减少瘢痕形成提供理论支持。

皮肤损伤修复过程中，多种力学因素参与调节治疗质量和速度。本项目以在体和离体实验为主，结合力学-生物学模型探讨力学因素修复皮肤损伤的机理：①构建巴马小型猪瘢痕模型，设定加压治疗组和无压力对照组的在体实验，跟踪损伤-瘢痕-修复过程，筛选与力学因素相关的影响因子，探索可能的信号转导通路。②构建三维皮肤支架，将角质形成细胞（HKC）和成纤维细胞（HFB）压力共培养，结合在体实验数据，进行离体相关细胞生物学实验验证，包括胶原代谢、信号转导通路等。③结合临床牵引术初步分析拉伸应力对改善瘢痕挛缩的影响。构建基于正常和瘢痕皮肤材料特性的正交各向异性生物力学模型。④通过改变拉伸幅度与时间，研究拉伸应力下对HFB增殖及胶原蛋白代谢的影响。.重要结果：①动物在体实验中，对照组真皮存在胶原纤维束结节，压力治疗组瘢痕中胶原蛋白、弹性蛋白和原纤维组织重建明显；压力治疗组抑制IGF-1/IGF-1R mRNA的表达和蛋白合成，同时激活PI3K/Akt通路，下调Ⅰ、Ⅲ型胶原蛋白mRNA的表达和蛋白合成。②压力下HKC与HFB的三维共培养明显促进HKC增殖及Ⅰ、Ⅲ型胶原蛋白mRNA的表达和蛋白合成；明显抑制HFB增殖和对Ⅰ、Ⅲ型胶原蛋白的表达和合成，且IL-1α和MMP-3可能参与了HKC调控HFB内胶原蛋白代谢。③通过个性化设计固定装置，施加在体拉伸应力，使瘢痕挛缩组织蠕变延长，缓解挛缩，促进外形及功能恢复。模拟伤口与朗格氏线不同角度采用不同缝合方式，证实减小角度，可以使最大应力值降低22.4%；通过采用锯齿形缝合方式降低角度过大导致的最大应力数值。④拉伸应力改变HFB细胞周期，促进HFB增殖；影响Ⅰ、Ⅲ型胶原蛋白的代谢，且与力学刺激的幅度和时间有关。.科学意义：通过在体和离体实验，从组织-细胞-蛋白大分子层次，阐明力学因素影响瘢痕组织形成及修复的机制，为临床优化治疗方案，促进瘢痕恢复提供理论依据。