在体外反应人类皮肤成纤维细胞的机械应变:系统回顾和荟萃分析

1介绍

广泛的皮肤伤口愈合不可避免地导致疤痕。过度瘢痕的形式肥厚性瘢痕或瘢痕疙瘩可能发生如果伤口愈合的过程无序(小川,2017)。这些提高和伤疤涉及显著增厚和长期激活myofibroblasts在伤口愈合的重构阶段(海因茨,2016),导致过度生产和减少降解细胞外基质(ECM);因此,导致ECM积聚(海因茨,2016)。

过度瘢痕似乎不成比例地发生在解剖网站更高的静息张力或高周期性张力(巴恩斯et al ., 2018)。平面机械张力一般被认为是对皮肤有害影响伤口愈合,以及后续的质量疤痕。无数的治疗存在旨在缓解紧张的负面影响在平面应力减少,如优化缝合技术(Marsidi et al ., 2020)或设备分散张力周围组织(哈韦尔和Al-Haddab, 2013)。

细胞转导的概念涉及到相互之间的相互作用及其力学环境(海因茨,2016),随后翻译成生化信号(马蒂诺et al ., 2018)。机械敏感离子通道的发现是第一步解体造成的疤痕恶化背后潜在的分子基础张力(Guharay (goldman Sachs), 1984年)。这个领域涵盖了临床研究(Krishnan et al ., 2016)、动物模型(儿子和海因茨,2021年),在体外研究(Shirakami et al ., 2020),在网上研究(Tsuge et al ., 2020)。在体外研究发挥重要作用在阐明力学生物学的作用在疤痕形成细胞和生物分子水平,然而这些文章中描述的影响差别很大,往往是矛盾的(黄et al ., 2011)这些研究涉及扩展膜播种的主要细胞,以及随后的分析结果,同时为相关变形参数控制。增加最近一直注意改善动物研究的转化价值的系统评价和荟萃分析(Hooijmans et al ., 2014),考虑到大量的叙事评论关于这个主题的所有评估个人研究的方法学质量。虽然临床试验的框架系统的审查不容易适合应用在体外研究(Hooijmans et al ., 2014),稀疏的例子,其成功的适应存在(Mikolajewicz et al ., 2018;麦基et al ., 2019)。

在这项工作中,我们旨在批判性评估的影响在体外机械拉伸使用系统回顾人类皮肤成纤维细胞的方法。这个系统回顾和荟萃分析的主要目的是描述的效果在体外机械拉伸在人类皮肤成纤维细胞的功能参数,即增殖和胶原蛋白的生产。二级目标是检查协变量的影响与供体年龄有关,纤维母细胞起源,实验治疗,和参数的机械刺激真皮纤维母细胞机械应变响应。最后,我们评估报告的一致性在体外研究,以提高他们的转化潜力。

2结果

2.1研究的特点

系统的文献检索(图1)导致共有11230篇文章。两个额外的文章被筛查发现引用相关的文章。标题和摘要筛选剩下的文章包含了48相关论文全文。写这些文章大多是在皮肤疤痕的背景下研究。两篇论文在生物工程肌腱组织,和四个心血管研究论文在真皮成纤维细胞作为他们参与实验。所有包括个人实验符合入选标准,导致比报纸更据点。

2.2方法学质量

48所描述的研究论文是异构的设计。捐赠人位置千差万别,包皮是最常用的供体组织(n= 16)(图2 c)和19文章不指定捐赠的位置。拉伸实验中使用的设备是所有文章中描述;17篇论文报道从Flexcell商业设备的使用,其他人(n= 20)使用定制的设备(图2 d)。方法学质量得分是使用一组预定义的项目评估方法学质量(图2 a, B,补充表S5)。项目相关的材料通常是报道,只有两篇文章完全忽略培养中、调节,和六个文章失踪的详细描述拉伸装置。人口信息细胞捐赠者没有在绝大多数的文章(n= 35)。同样,细胞捐赠者严重低估的数量(n= 31)。细节可扩展膜及其涂层或治疗由所有作者提供。八个文件是缺失一个或两个细节的加载时间,频率和大小。相反,重复实验的数量差在十九的文章报道。四篇文章没有提及样本量,另有15篇文章是模糊的或包含一系列重复每分析使用。大多数报纸报道的使用未拉伸控制样本,只有七个文章使用不适当的对照组或没有提及的未拉伸控制。进一步审查导致文章的方法论的缺陷数量关于未拉伸控制组织,包括使用t = 0测量作为对照组,对照组数据的遗漏和选择性。19篇文章包含显式的声明相同的暴露实验和对照组。在9例干预组的曝光是明显不同的。

2.3数据提取和处理

两个结果措施选择基于报告频率和相关性转导的分子机制:成纤维细胞增殖和胶原蛋白的生产。这导致包含20个研究定量合成、19为纤维母细胞增生(补充表S1胶原蛋白合成)和10 (补充表S2)。两个经常报道结果措施,矩阵重组或重新定位和样品收缩,据报道也不均匀,没有无尺度总体效果大小可以确定。细胞增殖的报告各不相同,一些只给详细的增长曲线和一些细胞计数差异在一个单一的时间点。因此,结合细胞增殖的数据集的数据我们估计增长在实验常数(k之间的差异_年代)和控制(k_c)和k指数增长的假设条件_年代- k_c= $\frac{\mathit{ln}{Y}_{\mathrm{年代}}/Y_c}{t}$ ( $Y_{\mathrm{年代}}$ 和 $Y_c$ 手机号码或密度在时间吗t)。这种假设的性能测试通过拟合时间序列数据集西村et al。Nishimura et al ., 2007)(图3一)的指数增长曲线(图3 b)来估计增长常数。估计增长常数之间的关系和计算的0.913,0.757,方差(皮尔森的R,图3 c, D)。方差大一直在计算方法中,表明一个更保守的估计是适当的考虑到复杂的误差传播。胶原蛋白的生产,标准化意味着区别在每个数据集计算实验和控制条件。

2.4分析异质性

异构数据集进行了分析。一个研究排除纤维母细胞增殖数据集的分析并不影响整体效果大小的结果(图3 e)。累积研究排除分析确定44%的研究需要排除获得同质数据集和删除会导致减少的影响大小(图3 f)。在胶原蛋白的生产数据,单一的研究排除分析确定三个导致异质性的研究,及其排除影响整体效果大小的结果(图3 g)。累积研究排除分析表明,80%的研究需要排除实现异质性(图3 h)。移除这些研究导致减少的影响大小。漏斗图分析纤维母细胞增殖的数据集(图3我)展示了研究水平效应的双模分布的数据点与一个峰值在固定后果估计,另一个更高的价值。漏斗图的胶原蛋白生产数据集(图3 j)研究表明,水平分布在固定后果估计的影响。

2.5元分析

2.5.1纤维母细胞增殖

由于研究水平的分布成纤维细胞增殖的影响表现出明显的两组之间的部门(图3),我们检查,如果两个不同的人群在这个数据集与纤维母细胞供体的年龄。供者年龄允许单独的数据的报告新生儿和成人捐赠者,而供体年龄是不正确的研究报告被组合在一起(图4)。新生儿成纤维细胞表现出明显的不敏感性stretch-induced扩散(Ks-Kc: 0.00 [CI:−0.01:0.01]),而成人后成纤维细胞增殖明显升高展出机械拉伸(Ks-Kc: 0.14 (CI: 0.12:0.16))。在群non-reported时代,纤维母细胞增殖显示新生儿一样的不敏感stretch-induced扩散成纤维细胞(Ks-Kc: 0.01 [CI:−0.01:0.03])。而新生儿细胞反应更比双轴拉伸单轴,成人细胞显示的结果正好相反,一个广泛的回应双轴拉伸(图4 a, B, D)。新生儿细胞的增殖没有影响维生素C,然而non-reported年龄的一个很小的子集的细胞表现出积极的维生素C对stretch-induced扩散的影响。不幸的是,所有的文章描述的成年细胞培养基添加维生素C。尽管所有新生儿纤维母细胞起源于包皮,成人成纤维细胞来源于不同位置包括包皮(图4 c)。虽然从不同位置的反应类似于成人成纤维细胞,显著的异常值是乳房皮肤和包皮(不过这只是一个数据集),表现出显著的低stretch-induced扩散比其他施主能级的位置。

2.5.2胶原蛋白的生产

胶原蛋白的生产数据集包含少量的研究,证明了尺度效应,数量级比其余的数据集(图5)。因此溃败的方法是用来识别五个胶原蛋白的异常值的数据集,随后被省略了进一步分析。总的来说,机械拉伸增加胶原蛋白生产(核磁共振:0.44 (CI: 0.44:0.45))。符合其已知函数,添加维生素C几乎翻了一倍的刺激效应机械拉伸。包皮成纤维细胞来源于新生儿捐助者也产生更多的胶原,以应对机械拉伸。刺激胶原蛋白生产均匀单轴和双轴拉伸的影响和一个更大的压痕拉伸成纤维细胞。

2.6多元回归

协变量的影响连续应变大小和频率stretch-induced成纤维细胞增殖和胶原蛋白生产调查使用固定后果多元回归模型。Stretch-induced扩散(图6 a, B, D)和stretch-induced胶原蛋白生产(图6 c, E)积极与应变大小在新生儿和成人细胞。然而,在所有三个案例中,协会的斜率是最小的,拟合优度较差。检查情节表明非线性关联增加大小和扩散,初始应变增长和随后的向下的斜坡向20%。增加应变频率强烈和积极与新生儿stretch-induced扩散增加细胞(图6 b),强烈和消极与拉伸诱导胶原蛋白生产(图6 e)。

3讨论

这项研究是第一个的系统回顾和荟萃分析在体外评估人类成纤维细胞力学生物学研究。主要的目标是描述的效果在体外机械拉伸对人类皮肤成纤维细胞。两个参数,研究了成纤维细胞增殖和胶原沉积,在一个足够数量的研究进行荟萃分析。

总共有71和42个离散试验估计细胞增殖和胶原蛋白生产提取,分别。第一次,我们发现,只能从成人捐助者增加他们的成纤维细胞增殖和胶原蛋白生产机械拉伸,而新生儿成纤维细胞主要是回应增加胶原蛋白的生产。

荟萃分析在这个数据证明没有stretch-induced新生儿成纤维细胞增殖,而这种效应无疑是给成人的成纤维细胞。无疤伤口愈合在人类胎儿是一个确定的事实(拉森et al ., 2010)。我们的研究结果似乎表明,老年性改变皮肤成纤维细胞的反应性机械张力比此前认为的可能存在较长的时间。

相比之下,各个年龄段的捐助者的真皮成纤维细胞显示增加生产胶原蛋白I型机械刺激,虽然增加的程度是变量,部分由于使用维生素C在文化的差异。不幸的是,其他类型的胶原蛋白不够丰富报道进行定量综合分析与疤痕形成有关的其他类型的胶原蛋白不可能(奥利维拉et al ., 2009)。

我们发现伸展拉伸不同的频率大小和成纤维细胞增殖和胶原蛋白分泌的影响。虽然没有明显相关性大小和成纤维细胞功能,详细的数据检验表明,可能是非线性的关系。相比之下,拉伸频率与纤维母细胞增殖显著相关(正相关)和胶原蛋白生产(负相关)。这些数据可以解释观察到的这两个影响的临床研究思腾et al ., 2011;黄et al ., 2011)。因此,我们的研究提出一个新的研究方向确定一个最优的机械拉伸协议以减少疤痕。

本研究也有一些局限性。首先,48确定文章的质量批判性评价使用修改后的评分系统是基于以前的工作Golbach et al。(2016),确定了几个重要的缺陷。报告的纤维母细胞捐献者特别贫穷的人口特征,很少包含捐赠性信息,年龄,和纤维母细胞站点的位置。此外,每个实验使用捐赠者的数量只在少数的文章报道。改善报告捐助者的数量将会增加结果的普遍性。同样,增加报道捐赠者特性将允许更深入的评估在疤痕形成的作用。第二,我们已经确定了实验条件的缺陷报告。少数文章明确指出,在控制实验条件与实验组相同。细胞通过数字不一致报告,尽管他们知道对扩散的影响。此外,尽管大多数的文章描述清晰的样本大小,一个模糊的描述或样本大小的范围仍然是一个问题在许多论文。最后,27的48篇文章不包括利益冲突声明。 These findings emphasize the need for better reporting of basic science studies and the requirements of a specific quality assessment tools for the synthesis studies. Even though the articles included for quantitative syntheses had relatively high scores for reporting quality (补充表S1、S2),报告结论上述缺陷报告。

此外,控制范围,本研究只调查了机械应变的影响由于其主导作用,即使其他类型的机械变形,如剪切和压缩可能扮演重要角色。我们也有限数量的分析结果。更具体地说,我们不能包括矩阵重组和纤维母细胞分化由于缺乏一致的报告结果。同样,尽管(如网状纤维母细胞的细胞亚群与乳头状纤维母细胞)被认为表现在疤痕形成不同(伍德利2017),我们不能评估一个潜在的差异由于缺乏数据。

果断的结论,本研究证明了机械拉伸的刺激效应对人类皮肤成纤维细胞增殖和胶原蛋白生产和确认供者年龄和机械拉伸的频率是结果的重要因素。我们独特的研究表明,扩散,同时增加胶原蛋白产量减少成年细胞可能有利于模仿机械拉伸在新生儿细胞反应。我们的分析还表明,潜在的策略来实现这一目标可能包括抗坏血酸治疗。这些结果提供具体建议为将来的实验研究,进一步阐明stretch-induced疤痕背后的生理机制,为发展新的治疗策略,优化组织工程协议。

4种方法

4.1软件

文章通过检索数据库搜索被导入到尾注X9 (Clarivate分析,费城,美国)重复的删除。web应用程序Rayyan (Ouzzani et al ., 2016)是用于标题和抽象的筛查。META-LAB (Mikolajewicz Komarova, 2019),一个插件开发的MATLAB R2016b用于数据提取,荟萃分析,多元回归。数据拟合和统计进行了GraphPad Prism9(圣地亚哥、钙、美国)和Microsoft Excel被用于进一步的数据处理。开源图形编辑软件Inkscape用于编辑的情节和人物。

4.2搜索策略

系统搜索可用的文学中执行以下数据库:PubMed、Embase.com科学,Clarivate分析/网络核心收集2020年6月1日。系统搜索更新于2021年5月26日。中可以找到完整的搜索策略补充表S3。额外的文章被确定通过检查引用。棱镜语句之后的报告在本系统评价(莫赫et al ., 2009),除了协议登记为基础科学评论不接受协议注册。

4.3选择文学

标题和摘要筛选进行了分别由两位作者,LvH和,分歧在个案由两位作者通过讨论解决。第三个作者(MLG)可用不肯舍弃的差异。研究包括如果实验协议涉及暴露人类真皮或瘢痕成纤维细胞机械拉伸。排除标准如下:除英语之外的其他语言,动物实验,临床研究和机械刺激,是基于其他机制(例如,压力)。评论、信件、社论和会议摘要也被排除在外。

4.4评价的方法学质量

使用评估工具研究质量排名基于先前所描述的工具(Golbach et al ., 2016)。评估包括12项实验装置,干预和报告特征(补充表S4)。项目得分数值“完整性”的基础上报告在相关的研究中,只有实验的质量,本文评估的范围内。总总质量分数计算的研究水平。评估方法学质量做了分别由两位作者(LvH YdJ),和相互协议是寻求不同的分数,讨论这两个作者之间。

4.5数据提取

研究包括定量合成当数据在细胞增殖或胶原蛋白沉积提供了干预和控制。数据提取关于实验设计、方法措施,结果和结果。以下结果导出为Excel电子表格:样本量,意味着/偏差和标准错误。当提供了一系列样本大小,使用了最小值。当样本容量并不明确,n假定= 3。在未报告的测量方差的情况下,它被认为是一个标准的错误。图形数据提取使用META-LAB工具箱为基础研究(Mikolajewicz Komarova, 2019)。数据不足或不清楚时,作者阐明数据联系。

4.6结果措施和影响大小

两个措施充分报告结果定量分析:1)细胞增殖和2)胶原蛋白I型生产。胶原蛋白亚型报道时,I型胶原蛋白提取的数据。子类型未指定时,整体的胶原蛋白提取量。

4.6.1学习水平对细胞增殖的结果

占干预的持续时间和方法的差异,细胞增殖数据集治疗如下。我们假设发生细胞生长指数 ${Y_{我}=Y_0\times e}^{k_{我}\times t}$ ,在那里Y_我是手机号吗t在实验(Y_年代)和控制(Y_c)组,Y_o细胞的数量在基线,我们认为是相同的两组,然后呢k_我是增长常数。实验条件的影响被评为增长常数实验和对照组的区别:k_年代- k_c $\frac{\mathit{ln}{Y}_e/Y_c}{t}$ 。方差计算使用算术错误传播技术 ${\mathrm{年代}D}_{我}=\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{年代}D}_{Ye}}{Ye}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{年代}D}_{Yc}}{Yc}\right)}^2}$ 。最长的数据集从西村(Nishimura et al ., 2007)被用来验证这标准化的策略。数据拟合指数增长曲线使用非线性回归。增长常数获得通过这些方法减去,而实验方法通过计算相关系数。正常的数据证实了使用Shapiro-Wilk测试。皮尔逊相关性测试通过计算R为手段和标准错误。

4.6.2研究胶原蛋白生产水平的结果

标准化意味着差异θ_我被计算为θ_我= $\frac{{\mathrm{\theta }\mathrm{我}}^e-{\mathrm{\theta }\mathrm{我}}^c}{{\mathrm{\theta }\mathrm{我}}^c}$ ,在那里 ${\mathrm{\theta }\mathrm{我}}^c$ 在控制和胶原蛋白生产吗 ${\mathrm{\theta }\mathrm{我}}^e$ 在实验条件。

4.7异质性分析

异构计算使用H²和我²统计。H²统计独立的数据集和计算的数量 $H^2=\frac{问}{df}$ ,问是全变差的测量和df是自由的程度。我的²统计数据是用来描述方差相对规模和转换的H²统计, ${我}^2=\left(\frac{问-\; -\; -\; -\; -\; -df}{问}\right)\times \mathrm{One\; hundred.}\%$ 。个人的贡献研究数据池的异质性是使用单一的学习和累积学习排除分析评估。在累积研究排除分析,同质性阈值T_H计算,估计研究的比例需要删除实现同质性。发表偏倚评估与漏斗图,通过绘制生成逆标准错误,1 / se (θ_我)对个人学习效果大小,θ_我。

4.8元分析

随机效应模型通常是首选在基础研究(Mikolajewicz Komarova, 2019),因为大量的实验和生物多样性。然而,考虑到清晰的分布研究水平影响周围的固定效应估计的结果,一个固定效应模型被用来情节后续森林情节。

学习水平的结果被用来生成一个森林阴谋实现一个总结的结果, $\hat{\theta }$ 作为 $\hat{\theta }=\frac{{\sum }_{我}^N\left(\theta \times w_{我}\right)}{{\sum }_{我}^N{w}_{我}}$ ,其中N是数据集的数量,重量分配给每个研究(w_我)计算 $w_{我}=\frac{1}{{\left(\mathrm{年代}e\left({\theta }_{我}\right)\right)}^2}$ 。95%置信区间计算的 $\pm C我=\pm z_{1-\frac{\alpha }{2}}\times \mathrm{年代}e\left(\hat{\theta }\right)$ 。离群值被确定使用溃败的方法。

4.9亚组分析和多元回归

亚组分析和多元回归(Mikolajewicz Komarova, 2019)进行了识别因子与细胞捐献者,施主能级,实验条件和拉伸参数占异质性和影响整体的结果。亚组分析被用于分类变量。固定后果多元回归模型时使用足够的数据连续变量是目前使用: ${\theta }_{我}={\beta }_o+{\beta }_{我nter}{X}_{我}+{\epsilon }_{我}$ ,在那里β_o是拦截,β_国际米兰的斜率系数描述了协变量和结果之间的关系,和ε_我是within-study错误。R²计算评价模型的拟合优度。

作者的贡献

概念化:LvH、CD、YdJ PvZ MG, SK数据管理:LvH, CD, YM, YdJ, JK, SK正式分析:LvH, CD, YM, YdJ, JK, MG, SK资金收购:PvZ, MG, SK调查:LvH, CD, SK方法:LvH, CD, SK项目管理:LvH, SK资源:LvH, CD, JK, SK软件:LvH, CD, JK, SK监督:PvZ, MG, SK验证:LvH, CD,反向,SK可视化:LvH, CD, SK写作——初稿准备:LvH, CD, YM,反向,YdJ, PvZ, MG, SK Writing-Review和编辑:LvH, CD, YM,反向,YdJ, JK, PvZ, MG, SK。

资金

合作项目是由巴基斯坦人民党津贴提供健康∼荷兰生命科学部门和健康,刺激公私合营以及荷兰的贡献(批准号:16.01 TKI)燃烧的基础。我们也承认资助自然科学和工程研究理事会(NSERC rgpin - 288253) SK, YM支持由中国学术委员会(CSC)。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

补充材料

本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fmech.2023.1049659/full补充材料

缩写

ECM,细胞外基质;溃败,健壮的回归和离群值删除。

引用