Wnt 信号通路：操控机械转导，开启伤口毛发再生的 “密码”

为探究 Wnt 信号在伤口诱导毛发新生（WIHN）中的机械调节作用，宾夕法尼亚大学研究人员开展相关研究。结果发现 Wnt 信号可驱动 WIHN，这为治疗疤痕和纤维化疾病提供新思路。推荐科研读者阅读，助力相关领域探索。

　　

在哺乳动物的世界里，受伤后的伤口愈合过程常常伴随着一个令人遗憾的现象 —— 大多数伤口愈合后会形成没有毛囊的疤痕。这背后的原因是什么呢？原来，哺乳动物的再生能力有限，受伤后的伤口往往会出现纤维化愈合的情况。这一过程受到多种因素的影响，其中伤口环境的机械特性，比如细胞外基质（ECM）的硬度，起着重要作用。机械刺激可以通过机械转导（mechanotransduction，将机械刺激转化为生化信号的过程）影响细胞行为，增加的机械转导会引发强烈的纤维化反应，不利于伤口的再生。

然而，有一种特殊的伤口愈合模型 —— 伤口诱导毛发新生（Wound-induced hair neogenesis，WIHN），引起了科学家们的极大兴趣。在这个模型中，伤口在特定条件下能够再生出毛囊，就像是伤口拥有了神奇的 “重生之力”。科学家们发现，Wnt 信号通路在 WIHN 中扮演着关键角色，阻断 Wnt 信号会阻止 WIHN 的发生，而增强 Wnt 信号则能显著增加受伤后再生毛囊的数量。同时，研究还表明，最佳的组织硬度决定了 WIHN 在愈合伤口中发生的位置，在痂皮脱落时，伤口中毛发再生的允许区域的组织硬度（杨氏模量）为 5 到 15 kPa。

但是，这里面还有许多未解之谜。β - Catenin 作为 Wnt 信号通路的主要下游效应器，它既可以作为转录因子，又能作为结构蛋白，在细胞间的连接中发挥作用。在高强度机械负荷下，β - Catenin 会发生核转位，但在大多数生物相关条件下，Wnt 信号的机械敏感功能仍然不为人知。尤其是 Wnt 信号是否具有促进再生的机械调节作用，这一问题亟待解决。

为了揭开这些谜团，宾夕法尼亚大学的研究人员在《Science Advances》期刊上发表了题为 “Wnt signaling drives regeneration by attenuating the substrate rigidity response” 的论文。他们通过一系列研究，得出了重要结论：Wnt 信号通过在细胞和组织水平影响机械敏感性来驱动 WIHN，这一发现揭示了 Wnt 信号新的机械调节功能，为治疗疤痕和其他纤维化疾病提供了新的理论基础。

在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。原子力显微镜（AFM）用于测量组织和细胞的硬度，帮助他们了解不同条件下组织和细胞的机械特性变化；超分辨率显微镜（STORM）则用于观察细胞内染色质的结构，探究 Wnt 信号对细胞核的影响；纳米针探测技术结合 AFM，能够直接对活细胞进行细胞内探测，获取细胞内不同部位的硬度信息；还有共聚焦显微镜，用于观察细胞和组织中蛋白质的表达和定位情况 。这些技术就像是研究人员手中的 “魔法工具”，帮助他们一步步揭开 Wnt 信号的神秘面纱。

下面让我们一起来看看他们的研究结果吧。

Wnt 信号放大通过优化组织硬度促进 WIHN

在 WIHN 过程中，痂皮脱落时会出现一个毛发再生的允许区域（PZHR），这个区域的组织硬度对于毛发再生至关重要。研究人员猜测 Wnt 信号可能会直接影响伤口的生物力学特性，从而调节再生过程。为了验证这一猜测，他们在具有放大 Wnt 信号的转基因小鼠身上诱导 WIHN，并在痂皮脱落当天（大约是受伤后第 14 天，PWD 14）使用 AFM 来表征其组织力学特性。

结果发现，与野生型（WT）小鼠相比，具有放大 Wnt 信号的小鼠（如和小鼠）表现出强大的 WIHN 能力，再生的毛囊数量是 WT 小鼠的约 10 倍。而且，这些小鼠的 PZHR 面积明显增大，这表明 Wnt 信号能够优化伤口硬度，进而促进 WIHN。就好像 Wnt 信号是一把神奇的 “钥匙”，打开了伤口再生毛囊的 “大门”，让伤口拥有了更强的再生能力。

Wnt 减弱表皮中的底物硬度响应和机械转导

为了深入了解 Wnt 驱动的再生机械调节机制，研究人员开始探究机械转导的分子机制。底物硬度响应是机械敏感性的基础，它反映了机械转导与底物硬度之间的比例关系。研究人员推测 Wnt 信号可能通过抑制底物硬度响应来软化组织。

他们分离了小鼠的表皮角质形成细胞和真皮成纤维细胞，并将它们培养在具有不同硬度（模拟伤口中心和边缘硬度）的生物相容性硅胶培养皿上，然后用 Wnt 激动剂 CHIR99021 处理细胞，再使用 AFM 进行测量。结果发现，CHIR 处理的表皮角质形成细胞的底物硬度响应明显减弱，而真皮成纤维细胞则不受影响。在体内实验中，研究人员通过二次谐波产生（SHG）显微镜观察发现，WT 小鼠和小鼠的真皮胶原网络组织和纤维特性没有显著差异，这进一步证实了 Wnt 信号主要在表皮中抑制机械转导，减少硬度响应，就像给表皮细胞 “打了一针软化剂”，让它们变得更 “柔软”，更有利于伤口的再生。

Wnt 驱动的肌动蛋白重组降低表皮的组织水平张力

既然 Wnt 信号会减弱底物硬度响应，那么这背后的机制是什么呢？研究人员把目光聚焦到了肌动蛋白（actin）上，它是机械转导的核心元素，对细胞硬度起着关键作用。

通过研究发现，角质形成细胞中 Wnt 信号的增加会导致细胞骨架肌动蛋白发生深刻重组。细胞内的肌动蛋白分布变得中心稀疏，而在细胞 - 细胞连接处集中且有序，呈现出一种 “空心” 的外观。同时，CHIR 处理的角质形成细胞中的肌动蛋白丝变得更长更细，这表明肌动球蛋白收缩减少，与底物硬度响应减弱的现象一致。在单层上皮细胞形成过程中，研究人员还发现 Wnt 介导的细胞骨架重排会抑制组织水平张力的产生。而且，在体内实验中也观察到小鼠伤口表皮的肌动蛋白结构呈现出类似的 “空心” 外观。这说明 Wnt 信号通过触发肌动蛋白重组，在组织水平上抑制了硬度响应，为伤口的再生创造了更有利的条件。

Wnt 减少核硬度并将细胞内力转移到 AJs

Wnt 信号改变了细胞结构，那么它对细胞内的力分布有什么影响呢？研究人员使用纳米针 AFM 技术来一探究竟。他们对细胞核（）、细胞质（）和细胞 - 细胞连接处（）进行测量。

结果发现，Wnt 激动剂处理会使下降近 10 倍，同时细胞 - 细胞连接处的相对硬度增加，这表明细胞内力向细胞 - 细胞连接处转移。进一步研究发现，Wnt 诱导的染色质重塑在正常皮肤硬度的底物上能够促进染色质结构有利于转录，但在疤痕硬度的底物上这种作用会减弱。这就像是 Wnt 信号在不同的 “环境” 中发挥着不同的作用，在正常 “环境” 中它能帮助细胞更好地进行转录，促进再生，而在疤痕 “环境” 中，它的作用就受到了限制。

Wnt 信号促进 AJ 形成

Wnt 信号是否会影响细胞间连接的形成呢？研究人员对此进行了研究。他们发现，Wnt 信号激活后，CHIR 处理的人角质形成细胞中 AJ 的关键成分 β - catenin 和 E - cadherin 的膜表达增加，通过多种实验方法（如共聚焦显微镜、毛细管电泳、qPCR 等）都证实了这一点。

而且，在体内实验中，小鼠伤口表皮中 β - catenin 和 E - cadherin 的表达也显著增加，这表明 Wnt 信号能够促进角质形成细胞中 AJ 的形成，就像给细胞之间的连接 “加固” 了一样，让细胞之间的联系更加紧密。

Wnt 驱动的 AJ 募集增强集体细胞行为

AJs 在细胞间的连接中起着重要作用，它能够增强细胞间的粘附，影响机械协同性。研究人员推测 Wnt 信号可能通过募集 AJs 来促进机械协同性。

通过牵引力量显微镜（TFM）测量发现，Wnt 信号处理后的细胞，无论是单细胞还是多细胞簇，细胞 - ECM 力都有所增加，尤其是在多细胞簇中差异更明显。而且，Wnt 信号还增强了细胞的集体趋硬性（collective durotaxis，即细胞沿着底物硬度梯度的协调迁移）。在实验中，CHIR 处理的细胞虽然迁移速度变慢，但几乎所有细胞都能一起朝着更硬的方向迁移，而对照组只有少数细胞有明显迁移。这表明 Wnt 信号通过增强机械协同性，促进了集体趋硬性，让细胞们 “齐心协力” 地朝着有利于伤口愈合的方向行动。

综合以上研究结果，研究人员发现 Wnt 信号通过多种方式影响细胞和组织的机械特性，进而促进伤口诱导的毛发新生。在表皮角质形成细胞中，Wnt 信号招募 AJs，改变肌动蛋白结构，抑制底物硬度响应，在组织水平上形成了一种类似 “机械合胞体” 的结构，这种结构能够增强机械协同性，促进细胞的集体趋硬性。这些作用共同扩大了愈合伤口内的再生区域，增加了新生毛囊的数量。

这项研究意义重大，它揭示了 Wnt 信号在伤口愈合和再生过程中的机械调节作用，为理解毛发再生的机制提供了新的视角。而且，这一发现为开发治疗疤痕和其他纤维化疾病的新方法提供了理论依据。未来，研究人员可以进一步探索 Wnt 信号通路与其他信号通路之间的相互作用，以及如何精准地调控 Wnt 信号来促进组织再生，为改善人类健康带来更多的希望。就像为医学研究打开了一扇新的大门，让我们看到了未来治疗相关疾病的新方向。