Regulation of cellular phenotypes plays key roles in various physiological processes such as embryogenesis, tumor metastasis, organ fibrosis, and wound healing. In particular, skin cells such as keratinocytes and fibroblasts exhibit dynamic changes in their intra- and inter-cellular structures, whose alterations are linked to the functional changes in wound healing process. Because both physical and biochemical cues from tissue microenvironment can modulate the cellular structures to control the innate functions of the involved cells, this study aims to investigate the role of physicochemical cues on skin cells in the context of promoting wound healing process.
Atmospheric pressure plasma (APP) has gained a great deal of attention as a potential tool for wound care, and has shown to be effective in promoting skin regeneration in vivo. Recent studies reported accelerated re-epithelialization while the recovery of superficial dermis was slowed down by APP treatment. However, the underlying mechanism of how APP modulates skin function remains unclear. For any practical use of APP, a fundamental knowledge of cellular responses and the underlying mechanism of APP would be essential. Therefore, the effect of APP on the dermal fibroblasts was investigated in this work with special emphasis on its effects on the adhesion and the actin cytoskeleton, which are the key determinants of the cellular shape and function. The results indicated that APP induced the MET (mesenchymal to epithelial transition)-like response on fibroblasts where the morphological features of APP treated mesenchymal fibroblasts resembled those of epithelial cells. These morphological changes accompany the changes in gene expressions and migratory responses where mesenchymal cell markers were diminished and migration was inhibited with the gain of epithelial features upon treatment with APP. Consistently with reported in vivo study, APP seems to modulate the function of dermal fibroblasts in such way that it promotes the re-epithelialization and suppresses the recovery of dermis through MET-like process.
Under wound condition, fibroblasts are exposed to tensile stress from their tissue microenvironment via inherent wound contraction. Exogenously applied mechanical tension can mimic the natural tension to regulate the reconstitution of dermal layer by stimulating the release of growth factors from fibroblasts. In this study, the effect of tension on the dermal fibroblasts was investigated with special emphasis on NGF production, which is an essential regulator for the sensory neuron regeneration. The cyclic tension was shown to directly increase gene transcription of NGF and TGF $\beta$ 2 in human dermal fibroblasts (HDFs). Neutralizing TGFβ did not affect the tension-induced NGF upregulation, with significant inhibition of endogenous TGF $\beta$ 2. The study with JNK, ERKs, and PI3K inhibitors demonstrated the independent regulation of tension-induced NGF and TGF $\beta$ production in HDFs where NGF, but not TGF $\beta$, was shown to be unaffected by PI3K inhibition. Because both NGF and TGF $\beta$ 2 are important in tissue repair process, tension-induced NGF production in HDFs in response to mechanical tension could be regarded as a primary factor to study the interactions between dermal fibroblasts and skin mechanical environments in tissue homeostasis and regeneration including sensory neuron.
During wound healing, epidermal keratinocytes are exposed to ECM microenvironment of collagen and stiff matrix distinct from their usual niche. Recent reports in this field suggested that cell-ECM interactions play a major role in directing cellular processes that drive tissue regeneration. The objective of this study was to investigate the role of ECM ligand and stiffness on EMT (epithelial-mesenchymal transition) induction, which is crucial for effective migration of keratinocytes during re-epithelialization, a critical process in wound healing. In normal human epidermal keratinocytes (NHEKs), collagen ligand induced the EMT like features such as increase in mesenchymal marker and enhanced migration rate compared to laminin. Interestingly, the combination of stiff substrate and collagen ligand showed synergistic effects on the induction of EMT-like changes in NHEKs. Also, focal adhesion was activated and correlated with EMT induction in response to stiffness and ECM ligand. Considering that EMT in keratinocytes is essential for recovery of injured epidermis, physicochemical change in the ECM environment could be expected as one of the key factors for the reconstruction of epidermal layer during wound healing process.
세포 구조의 조절은 발생, 조직의 재생, 상처치유와 같은 여러 생리학적 기능을 유지에 중요한 역할을 한다. 최근 들어 다양한 생화학적 요소뿐만 아니라 기계적인 환경에 의해서도 이러한 세포의 구조와 기능의 변화가 조절된다고 알려져 있다. 본 연구에서는 상처치유에 효과가 있다고 알려진 외부의 물리적 자극인 대기압 플라즈마와 상처치유과정에서 자연스럽게 변화되는 물리적자극인 인장자극과 세포주변의 물리화학적 환경이 피부세포의 구조 및 기능에 미치는 영향 대해 세 개의 파트로 나누어 연구하였다.
첫 번째 파트에서는, 대기압 플라즈마를 이용한 피부 섬유아세포의 조절에 대해 연구하였다. 대기압 플라즈마는 레이저와 고주파와 더불어 상처의 치유과정을 촉진한다고 알려져 있으며, 바이오-메디컬 도구로써 그 가능성이 주목 받고 있다. 치료과정에서의 안전성과 정확성을 위해서는 대기압 플라즈마가 세포에 미치는 기초적인 연구가 필수적이다. 이에 첫 번째 파트에서는 대기압 플라즈마가 섬유아세포에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 플라즈마 자극은 공통적으로 세포의 부착과 세포골격을 조절하며, 이는 세포의 형태변화와 관련이 있다고 알려져 있다. 그러므로, 본 연구에서는 플라즈마 자극을 대표적인 간엽세포인 섬유아세포에 가하였을 때, 대표적인 형태변화인 간엽-상피 형질변환(MET)이 유도되는지를 관찰하고자 하였다. 플라즈마 자극을 가한 결과, 섬유아세포는 상피세포와 유사한 형태로의 변화, 관련 유전자의 변화, 그리고 운동성의 감소를 보임으로써, 간엽-상피로의 형질변환 현상이 유도됨을 확인하였다. 본 연구는 생체 내 플라즈마의 효과에서와 유사하게 플라즈마 처리가 간엽-상피세포로의 형질전환현상을 유도함으로써, 내피층의 복구의 저하 및 외피층의 복구 촉진에 기여하는 방식으로 섬유아세포에 영향을 미침을 확인하였다는 것에 의의를 가진다.
두 번째로, 물리적 인장자극을 이용한 피부 섬유아세포의 조절에 대한 연구이다. 상처치유 과정에서, 피부 내층의 상처부위의 수축 등으로 인해 섬유아세포는 자연적으로 인장자극에 노출된다고 알려져 있다. 섬유아세포에 인장자극을 외부에서 가해 줄 경우 성장인자를 분비하거나 신호전달체계를 조절함으로써 혈관의 재생 및 세포외기질의 생산을 조절할 수 있다고 알려져 있다. 또한, 섬유아세포는 상처치유과정에서 NGF (신경성장인자) 분비를 통한 신경 섬유의 재생에도 중요한 역할을 한다. 이에 섬유아세포가 물리적 인장자극에 반응하여 NGF 의 증가에 영향을 미칠지, 그리고 그 메커니즘이 무엇인지에 대해 연구하고자 하였다. 인장자극이 섬유아세포의 NGF와 TGF $\beta$ 2(형질전환인자2)를 증가시킴을 본 연구를 통해 처음 밝혀내었다. 인장자극에 의해 증가하는 NGF는 TGF $\beta$ 신호 전달체계에 의해서는 영향을 받지 않았으며, TGF $\beta$ 2의 증가에는 영향을 주었다. 마지막으로 인장자극에 의해 조절되는 신호전달체계와 NGF등 상처치유과정에 관여하는 물질들의 신호전달체계의 공통인자를 억제시켜보았다. NGF는 JNK, ERK1/2에 의해 조절되며 TGF $\beta$ 2는 JNK, ERK 포함하여 PI3K signaling에 의해 함께 조절되었다. 상처치유과정에서 NGF가 신경세포 및 비 신경세포의 조절에도 중요하다고 알려진 만큼, 인장자극에 의해 증가하는 NGF에 대한 연구는 상처치유 촉진에 인장자극이 주요한 요소 중 하나가 될 수 있음을 보여주는 중요한 결과이다. 더불어 본 연구는 그 메커니즘을 밝혀냄으로써, 물리적신호전달체계의 한 조각을 채울 수 있었다.
세 번째로, 상처치유과정에서 자연스럽게 새로 접하게 되는 세포외기질의 환경을 조절함에 따른 각질세포의 변화에 대한 연구이다. 피부 외피층의 각질세포는 상처치유과정에서 상처부위를 채우기 위한 재상피화 과정에서 상피세포의 간엽세포로의 형질전환(EMT)이라는 중요한 현상을 겪게 된다. 지금까지 EMT현상은 생화학적 인자에 의해 조절된다고 주로 알려져 있지만, 최근 들어 세포를 둘러싼 물리화학적 인자들도 세포의 반응을 조절할 수 있음이 주목 받고 있다. 정상일 때 각질세포는 라미닌과 부드러운 조직과 접하고 있으나, 상처가 났을 때 각질세포는 내피층의 주된 세포외기질인 콜라겐과 딱딱한 조직과 만나게 된다고 알려져 있다. 이에 세포주변의 변화하는 물리화학적 환경이 각질세포의 EMT를 조절할 수 있을지에 대해 연구하였다. 각질세포는 상처가 났을 때 접하게 되는 콜라겐에서 자란 경우, EMT와 관련된 유전자의 증가와 운동성의 증가현상을 보였다. 이때 간엽세포로의 형태변화까지는 유도되지 않아 다음으로 세포가 자라는 환경의 강성을 조절하여 세포의 변화를 관찰하였다. 바닥의 강성을 세포외기질의 종류와 함께 조절한 결과, 전체적으로 딱딱한 환경에서 자란 각질세포가 EMT임을 나타내는 간엽세포로의 형태변화와 유전자의 변화가 증가하였다. 또한, 세포 외부의 물리화학적 조건의 조절에 의한 각질세포의 EMT현상 유도는 물리적신호 전달체계의 중요 인자 중 하나인 focal adhesion과 연관 있음을 확인하였다. 본 연구는 세포가 자라는 환경의 물리화학적 조건이 상황에 맞게 조절이 된다면, 상처치유를 위한 재생의학적 부분에 적용될 수 있는 잠재성을 확인해 본 연구결과이다.
