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2021年11月26日，中国医学科学院北京协和医院冷泠团队联合军事医学研究院生命组学研究所马洁/朱云平团队应用长光辰英核心产品-HOOKE P300共聚焦拉曼光谱仪在《Frontiers in Cell and Developmental Biology》杂志上联合发表了题为“Time-resolved extracellular matrix atlas of the developing human skin dermis”的论文，为年龄特异性皮肤ECM成分提供了新的标准，为组织工程皮肤再生提供了新的线索，在预测皮肤组织其他疾病状态方面的具有潜在价值。
图1
皮肤老化是一个生理问题，目前对它的了解还相对较少。研究表明，真皮细胞外基质(extracellular matrix, ECM)在皮肤老化中起重要作用。然而，从出生到老年，真皮特征和分泌到细胞外空间并参与真皮基质形成的分子变化尚不清楚。为了探索 ECM 微环境如何支持皮肤发育为不同年龄阶段的功能，作者使用脱细胞方法和基质组学分析来比较幼儿、青少年、成人和老年皮肤的ECM组成。研究发现支持皮肤发育并与核心 ECM 蛋白相互作用的胶原蛋白、糖蛋白、蛋白多糖和调节因子等在不同年龄成份有显著不同，以及皮肤发育过程中的ECM特异性标志物。此外，研究阐明了ECM表达特征对皮肤发育的影响，以及在皮肤老化过程中基底膜支持表皮干细胞生长的潜在机制。
1. 不同年龄的皮肤蛋白质组特征。为了研究不同年龄层的ECM成分，采用本课组之前建立的脱细胞法获得脱细胞皮肤支架。首先利用拉曼光谱分析不同年龄的皮肤组织，发现脱细胞样品，包括基底膜（BM）和真皮(DM)，可以很容易地与天然皮肤组织区分。如图所示。
图2
为了研究皮肤老化的分子基础，我们采用定量蛋白质组学方法分析了不同年龄皮肤脱细胞生物支架中表皮细胞外基质的组成。如图3 ，为了识别不同年龄的ECM代表性特征并了解其生物学意义，我们对四个不同年龄的所有ECM进行了差异表达分析，生物学过程分析表明，幼儿皮肤主要与胶原纤维组织、糖基代谢、软骨细胞和表皮发育有关。青少年期皮肤主要表现为半球状体组装、细胞基质粘附、细胞连接组装以及对生长因子的响应。成年人皮肤高表达蛋白主要与急性炎症反应、创面愈合和真菌防御有关。老年皮肤主要表达与骨化、骨矿化、结缔组织发育过程相关的蛋白，这可能是老年皮肤缺乏机械弹性的原因之一。这些结果表明，四个年龄段的ECM基质体微环境反映了皮肤组织的发育特征。如图4。
图3
图4
2. 不同年龄层皮肤核心基质体特征。胶原蛋白是ECM交联网络的主要结构成分。在皮肤发育过程中，纤维相关胶原COL12A1、COL21A1和COL11A1 (Ricard-Blum, 2011)以及BM胶原COL5A1/2和COL15A1的比例在幼儿生物支架中高于其他任何生命阶段。纤维形成胶原COL3A1、纤维相关胶原COL14A1和BM胶原COL7A1、COL28A1和COL17A1在青少年生物支架中高表达，而短链胶原COL6A2/5/6、纤维形成胶原COL5A3、微纤维胶原COL16A1、BM胶原COL18A1和COL4A5在成人生物支架中高表达。人们普遍认为老年人皮肤的胶原蛋白水平降低。儿童生物支架中透明质酸结合蛋白多糖的表达最高，包括ACAN和HAPLN3，五种蛋白聚糖，包括BGN, DCN, VCAN, HAPLN1和PRG4在老年供体生物支架中高表达。研究表明高度表达的年龄特异性蛋白聚糖可以通过调节胶原蛋白影响皮肤。我们的结果表明，儿童生物支架中大多数高表达的糖蛋白与弹性蛋白微纤维家族成员(EMILIN3)、转化生长因子β (THSD4和LTBP4)的调节因子以及组织发育(NPNT和FRAS1)有关(图3C)。青少年皮肤中高表达的糖蛋白参与弹性纤维组装(MFAP4和TNXB)和丝状网络(MATN4)的形成。血管生成相关的ECM蛋白(ADIPOQ、THBS4、MMRN1和MMRN2)和神经元发育(FBLN7)在成人皮肤中高度表达。在老年皮肤中，高表达的糖蛋白参与骨矿化(MGP)和对转化生长因子β (FBN1和CILP)的应答。这些结果表明，这些核心基质体的不同组成在不同年龄提供的力学和功能特性可能决定皮肤的老化。如图5 。
图5
3. 表皮干细胞生态位的功能基质组组成。老化不仅与真皮ECM有关，还与表皮干细胞(EpSCs)的状态有关，BM是基础表皮干细胞的主要组成部分，并提供必要的复杂刺激，影响基础细胞的行为。分析了来自四个年龄类别的样本中的BM成分，以评估它们在整个皮肤发育过程中如何支持EpSC功能。如图6 。结果表明，这些不同的EpSCs刺激可能解释了不同年龄阶段EpSCs活动的差异。
图6
4. 细胞外基质在衰老过程中的调控模式。作者在四个年龄组中鉴定出24个ECM蛋白随着年龄的增长而上调，26个ECM蛋白随着年龄的增长而下调。结果表明，在皮肤发育过程中，胶原分解代谢过程、蛋白酶活性、凋亡信号、免疫细胞迁移和对微生物的防御反应的ECM表达逐渐增加。皮肤的老化和松弛似乎增加了微生物的入侵和炎症因子的产生，使皮肤能够继续进行伤口愈合，从而形成疤痕，这也可能导致皮肤加速老化。随着年龄的增长，胶原纤维组织、骨骼系统发育、细胞对生长因子刺激的反应、碳水化合物代谢和皮肤发育逐渐减少。COL6A1、SLPI和AMBP在整个生命周期中逐渐上调，而COL12A1、COL21A1、FRAS1、ANXA5和CD109在整个生命周期中下调。选择COL6A1、COL12A1和SLPI进行免疫荧光染色，验证老化过程中的表达模式，COL6A1在10岁时被发现位于表皮真皮连接处的BM周围，然后随着年龄的增长，其在真皮中的表达水平逐渐增加。而COL12A1的胶原束在10岁和34岁的真皮层中表达量较高，且随着年龄的增长其表达量显著下降。如图7。
图7
研究首次使用脱细胞方法结合蛋白质组学工具来研究皮肤老化过程中真皮基质的分子差异和发育特征。本研究构建的时间解析ECM图谱识别了不同类型的皮肤ECM成分，为年龄特异性皮肤ECM成分提供了新的标准，为组织工程皮肤再生提供了新的线索。此外，系统分析不同类型ECM蛋白在皮肤老化过程中的年龄特异性功能，全面了解人类皮肤ECM蛋白的年龄相关变化，以及在预测皮肤组织其他疾病状态方面的潜在价值。
0431-81077008
