Chapter 5.

Wound Healing

EPITHELIZATION

CONTRACTION

STRUCTURE AND SYNTHESIS OF FIBROUS PROTEIN AND MATRIX

REMODELING OF COLLAGEN

FACTORS AFFECTING COLLAGEN METABOLISM

CHANGES IN PHYSICAL PROPERTIES OF COLLAGEN

CLINICAL APPLICATION OF BIOLOGIC PRINCIPLES

TENDON HEALING

□ epithelization의 과정은 partial-thickness burn wound나 dornor site의 resurfacintg에 중요하지만 skin regeneration의 개념은 아니다

EPITHELIZATION

1. Function of epithelium - internal mileu의 유지

: selective barrier between body & external environment

--> nitroglycerin, BAPN(beta-aminopropionitrile)은 skin을 급속히 통과함

cf) epthelization의 cell source - hair follicle & sebaceous gland

2. Process of epithelization

① cell dedifferentiation (prime importance)

② mitosis : 48 - 72 hr에 max.

③ migration ; migrating cell이 죽거나 contact inhibition되기 전까지 지속

④ contact inhibition : migrating epithelial cell이 같은 종류의 cell을 만나 adhesion되면서 모든과정이 resting stage가 되는 현상

cf) migration 방법

ⓐ simple cell movement

ⓑ climb over : epiboly

3. Epithelization에 관여하는 물질

□ PDGF : PLT derived serum factor - epithelial cell migration을 자극.

□ collagen

ⓐ epithelial migration에 필수 : lattice 제공

ⓑ epithelial cell이 type V collagen 생성

ⓒ proline analogue : collagen production inhibition --> migration 막음

□ chalone(= normal epithelial suppressor substance or signal)

--> epithelial growth inhibition(mitosis & migration)

* chalone의 존재시 steady state 상태로 됨, 없으면 epithelial growth

□ epibolin : epithelial migration에 필요

□ EGF(epidermal growth factor) : mitosis에 필요

□ scarlet red : epithelial mitotic activity시에 peak를 증가

⑦ moist surface : migration을 증가시킴

4. Artificial material or natural dressing(scab)

① 2 surface를 만들어 ameboid cell의 movement ↑

② trauma(mechanical & chemical)를 protection

5. Surgeon이 할수 있는 reasonable measures(epithelialization이 방해받지 않는)

□ prevention of infection

□ protection of external trauma

□ avoidance of chemical destruction of the epithelium

6. epithelization으로 resurfacing하기엔 wound가 너무 크던지, repeated trauma로 epithelial dedifferentiation이 연속적으로 일으나는 경우

--> malignancy로 전환할 수 있다(epidermal carcinoma)

cf) radiant energy에 의한 wound : carcinoma가 발생하는 시기는 radiation length에 비례

- Marjolin's ulcer : 가시광선내의 radiation(long wavelength)에 의해 30년	- X-ray. gamma-ray : 12 ~ 24개월 내에 악성화

- mechanical injury나 chronic sinus tract의 carcinoma : 더 긴시간이 필요하며 radiant energy-induced lesion과 같이 시간을 예측할 수 없다.

* epidermal hyperplasia의 연구

--> cell proliferation 증가는 cell cycle의 shortening(특히 G1)이 원인.

--> hyperplasia : terminal differentiation & keratinization의 증가에 의한 cell loss의 증가에 기인

* artificial skin : infant에서 full thickness wound를 대치했을 경우 성장하며 하부에 dermis-like layer를 형성

CONTRACTION

□ contraction : active biologic process, contracture : end result of contraction

□ contractile process의 2 theory

① picture-frame theory : skin margin에서 수축과정이 일어남

② central granulation tissue에서 contractile force가 발생

□ Myofibroblast : Engine of contraction

1. 특징 : typical fibroblast with a well developed ER  ( smooth m. cell과 유사 )

① massive bundles of intracytoplasmic microfilaments

② positive IF labeling with human anti-smooth muscle serum

③ nuclear indentation : contraction을 indication

④ cell to stroma connections : necessary for cellular contraction

2. 분포장소 : active contraction하고 있는 거의 모든 종류의 조직에 존재

① granulation tissue

② tendon sheath

③ palmar fascia in pt. with Dupuytren's disease

④ capsules around breast implants

--> contraction은 collagen synthesia, deposition과는 무관한 완전한 cellular process임

□ collagen은 다만 발생된 contracture의 strength, integrity 유지. 실험적으로 scobutic animal에서 contraction은 보이나 contracture가 유지안됨

3. myofibroblast가 contraction의 initiator가 아닐 것이다.

그외 connective tissue matrix도 contractile process에 중요한 역할을 함.

# Contraction의 조절

① stimulated by : histamine, prostaglandin, serotonin

② inhibited by : trocinate, cortisone, skin graft, flap, spinting, pressure

ⓐ trocinate (thiphenamil hydrochloride) : smooth muscle inhibitor

--> 제거되면 다시 contraction 시작

ⓑ cortisone : 수축을 막지는 못하지만 둔화시킬 수 있음

--> injury이전에 투입시 염증세포의 migration과 fibroblast의 증식억제

㉠ Vit A : steroid의 deleterious effect에 counteract

epithelization을 막지는 않음

㉡ short-term use of systemic steroid + Vit A

: normal healing + contraction inhibition

③ skin graft or flap --> contractile process를 막지는 못하지만 수축량을 감소

④ splinting & pressure : retard or prevent clinical contraction

⑤ fresh wound에 skin graft : lesser contraction

□ skin graft시 contraction을 하는 것은 graft skin이 아니라 bed!

STRUCTURE & SYNTHESIS OF FIBROUS PROTEIN AND MATRIX

□ Fibrous protein Collagen : major component of scar tissue

① large macromolecule : 300nm length, 15nm width 300,000 dalton

② 3 coiled polypeptide chain

③ type I : skin collagen의 80%

ⓐ primary structure : Glycine-Proline-Hydroxyprolin의 tri-peptide 구조

- glycine만 molecule의 전반에 걸쳐 일정하게 분포

: every third residue

ⓑ 2개의 alpha1 chain과 1나의 alpha2 chain으로 구성(2x□1 +□□2)

⑤ 측정 : hydroxyproline

- hydroxyproline과 hydroxylysine은 거의 모든 collagen에 분포

- collagen이외에 분포하는 곳 : C1q (complement), ACEase

- 위의 두 protien성분이 없다면 hydroxyproline은 collangen량의 indicator

⑥ 합성장소 : fibroblast(main)의 rER

□ fibroblast : small blood vessel adventitia에 위치한 stem cell에서 분화

<-- BM origin도 monocyte origin도 아님

□ Proline의 hydroxylation (collagen formation의 critical Rx)에 사용되는 cofactor

--> prolyl hydroxylase 존재하에 O2가 proline을 hydroxylation하는데 필요

① iron	② copper

③ □-ketoglutarate	④ ascorbic acid

□ prolyl hydroxylation을 억제하는 것

① ascorbic acid deficiency	② hypoxia

③ starvation	④ corticosteroid

□ ③ & ④ prolyl hydroxylase의 activity를 현저하게 감소

□ lysine hydroxylation의 결핍 : Ehlers-Danlos syndrome VI

□ procollagen peptidase 결핍 : dermatosporaxis(사람의 ED syndrome VII과 유사)

□ collagen types : mechanical tissue function에 연관

① rigid tendon, fascia, bone : type I collagen

② skin	type  I	: 80%

type III	: 20%(많을수록 elastic)

③ pulastile blood vessel

type III	: 80%

type  I	: 20%

□ scar의 final strength, elasticity, size & shape of scar에 가장 중요한 collagen fiber의 요소 : physical weave(?)

□ early collagen : type III, IV - fibroblast 보다는 inflammatoy cell에 의해 생성

□ Fibronectin : tissue repair에 중요 (High M.W.의 glycoprotein)

① wound site 초기에 보임(fibrin과 함께)

② leukocyte의 adhesion, migration, phagocytosis를 보조, ↑

③ fibroblast에의한 collagen과 matrix의 organization deposition의 primary substrate로 사용

□ fibrile 형성에서 ground substance의 역할

① size 조절

② fiber와 fibrile의 방향 조절

REMODELING OF COLLAGEN

□ Loss of equilibrium : deposition & degradation of collagen

① excessive deposition - keloid, hypertropic scar

② excessive degradation - failure to heal or disruption

□ Tissue collagenase

--> collagen의 peptide chain 중 3/4 부위를 선택적으로 cleavage(depolymerizing)

--> 분리된 두 chain은 체온에서 denatured

--> peptidases & proteases에 의해 soluble상태가 됨 --> plasmatic circulation

--> 양은 blood나 urine의 hydroxyproline을 측정하여 알수있다.

□ Wound tensile strength (fig 5-11)

① collagen crosslinking (covalent bond)으로 얻어짐 : collagen synthesis와는 무관

② 3 ~ 8주 사이에 급격히 증가, but! normal tensile strength로의 환원은 불가능

□ Collagen systhesis와 degradation사이의 equilibrium(Three types of scar) - 참조

① keloid

② 42일째된 정상적인 cutaneous scar : collagen의 총량에는 변화없다(평형상태)

--> 이 상태는 collagen의 synthesis와 deposition, degradation이 평형이룬 상태로 unwounded skin보다는 이러한 활동이 더 증가되어있다.

③ ascorbic acid-deficient 환자의 deteriorating scar

□ dynamic equilibrium상태에 있는 scar에서 degradation, deposition, synthesis등에 영향을 미치는 인자(ex. cofactors)가 나타나면(or 없어지면) scar의 성상이 바뀌게 된다

ascorbic acid

deficient	systhesis

deteriorating <--(degradation)-- 42day --(deposition)--> keloid

scar	old wound

( dynamic equilibrium state)

--> 완전히 mature된 scar에서는 cofactor의 제거가 아무런 변화를 가져오지 못하나 dynamic equilibrium에 있는 scar는 여러변화를 초래하게 된다

□ ascorbic acid는 collagen의 physical integrity 유지에 필요한 것은 아님

: synthesis의 cofactor

FACTORS AFFECTING COLLAGEN METABOLISM

□ collagen metabolism에 영향을 주는 5 factors

① vascular change	② hemocoagulation

③ inflammation	④ growth factor

⑤ wound environment

1. Vascular changes

① injury 후 잠시 vasoconstriction, 다시 vasodilatation --> plasma leak

② mediators effect on endothelial cell capillary leak

ⓐ histamine	ⓑ bradykinin

ⓒ prostaglandin (PGE1, PGE2, PGA2)	ⓓ leukotriene

□ 이러한 mediator들은 meshenchymal cell에도 영향을 미친다

ex) histamine --> fibroblast proliferation 자극

2. Hemocoagulation : vascular change와 동시에 발생

- bleeding 시 coagulation되면서 fibrin이 형성

- PLT의 adhesion & degranulation과 fibroblast의 migration을 가능하게함

□ PDGF (PLT derived growth factor) : degranulation시에 나옴

ⓐ mesenchymal cell proliferation을 조절

ⓑ fibroblast chemotaxis

ⓒ fibroblast collagenase activity를 증진

□ coagulation cascade : inflammation과 wouynd healing과정 중 cellular events의 modulating에 가장 중요

3. Inflammation

① PMN : infection에 대한 방어

- 수시간내 창상조직의 inflammatory cell 대부분을 차지

- locally realeased compound(chmotatic factors)가 migration에 관계

ⓐ Leukotrien B4

ⓑ C5a portion of complement

ⓒ product of lipoxygenase pathway of arachidonic acid

- collagen metabolism 과는 관계 없다.

② macrophage : 수상후 24 ~ 36시간 후 도착(from cirulating monocyte )

- wound healing을 조절하는 key inflammatory cell

- chemotactic factor

ⓐ lymphocyte derived chemotactic factor

ⓑ FMLP(N-formylmethionyleucylphenyl alanine)

ⓒ collagen fragments

- function

ⓐ PDGF-like factor producing

ⓑ collagen 합성을 억제하는 물질 분비

ⓒ collagen, fibronectin synthesis

ⓓ fibroblast proliferation을 modulate

③ lymphocyte(T & B) : final inflammatoy cell type to populate wound

- T-cell이 lymphokine분비

ⓐ collagen synthesis ↑,↓

ⓑ MDGF 분비 자극

ⓒ macrophage collagenase 생산자극

4. Growth factor

□ two category : Chemotactic & Hormonal

① chmotactic

- PDGF : fibroblasts와 smooth muscle cell의 chemotactic factor

- PDGF-like factor 생산 장소 : macrophage, endothelial cell

--> platelet degradation(kamikazi attack) 후 wound에 계속적인 PDGF의 공급을 담당

② wound hormone

- TGF-□ (transforming growth factor)

--> angiogenesis, fibroblast attraction, collagen formation 자극

5. Wound environment

① O2 tension ↓

ⓐ cell migration stimulation

ⓑ balance synthesis of angiogenic factor

ⓒ macrophage growth factor stimulation → collagenase production

② Lactate level ↑ : macrophage가 angiogenic factor를 형성하도록 자극

③ moderate hyperoxic environment

--> open wound의 closure rate↑ (epidermal activity 증가의 결과 not stimulation of wound contraction)

□ Arterial pO2가 반드시 Tissue pO2를 반영하지는 않는다. 조직내 pO2  더 중요

--> 정상 arterial pO2에도 불구하고 blood volume의 감소는 조직의 pO2를 감소시킴

--> tissue pO2와 함께 volume의 maintenance도 중요

Pharmacologic Agents : Corticosteroids

□ corticosteroid가 wound healing을 억제하는 기전

① fibroblast migration 억제

② prolyl hydroxylase activity 억제

but! collagen deposition을 막지는 못한다.

③ collagenolytic activity ↑

④ inflammatory response를 바꿈

□ Vit A (membrane labilaizer)가 steroid(membrane stabilizer)와 관련된 healing retardation을 reverse시킴

: 불분명하지만, prolyl hydroxylation supression을 reverse하여 steroid 억제

CHANGES IN PHYSICAL PROPERTIES OF COLLAGEN

Genetic condition

□ Ehlers-Danlos syndrome

① type IV	: type III collagen 결핍

② type VI	: lysyl hydroxylase deficiency

③ type VII	: procollagen peptidase deficiency(dermatosporaxis in cattle)

Lathyrism (갯완주중독, BAPN 중독 --> collagen crosslinking이 않됨)

□ clinical manifestation

① rupture of dissecting aortic aneurysm

② young rats : scoliosis

③ older rat : massive abdominal hernias

<-- collagen metabolism의 변화

1. BAPN (□-aminopropionitrile)

① MonoAmine Oxidase Inhibitor(MAOI)

② active cross-link inhibitor

□ MAOI : lysine의 □-amino group의 oxidative deamination 억제

--> aldehyde 형성방해

--> covalent crosslinking 방지

□ Lathyrogenic skin 의 특징

--> □-chain 증가, covalent bonded chain 감소

--> tensile strength 감소

2. penicillamine  (□,□-dimethylcysteine)

① Wilson's dz, cystinuria Tx에 사용하는 copper chelator

② formed aldehyde group과 반응하여 collagen cross-linking block

--> tensile strength↓

□ BAPN therapy - to control the physical properties of human scar tissue

① systemic BAPN : liver enzyme change, erythema multiforme 유발.

--> BAPN 자체 보다는 contaminant가 원인

□ FDA supervised pure BAPN 사용시 문제 없음

□ D-penicillamine이 더 구하기 쉽고, 임상적용에 알맞다

② Topical BAPN : systemic complication 없이 효과적, 피부를 빠르게 통과

적응증

ⓐ tendon adhesion	ⓑ joint contracture

ⓒ TMJ ankylosis	ⓓ keloid, hypertrophic scar

ⓔ 기타: esophageal stricture 등

□ D-penicillamine과 corticosteroid를 함께 사용할 수 있다.

CLINICAL APPLICATION OF BIOLOGIC PRINCIPLES

□ Contractin of skin graft

① Primary contraction - graft itself

② Secondary contraction - actively contracting bed <-- mc factors

□ Expanded skin

① macromolecular collagen fiber의 disruption에 의한 physical stretching & collagen remodelling(skin의 regeneration이 아님)의 결과

② histology

ⓐ LM study : dermal thinning (no epidermal thinning), mitotic activity □

ⓑ EM study : dermis에 fibroblast, myofibroblast 증가

③ 문제점

ⓐ hair growth

ⓑ susceptibility to infection

ⓒ contracture after transfer as a graft or flap

ⓓ sensibility change

TENDON HEALING

□ "one wound concept"

- tendon이 collagenous, spot-welding, end-to-end coaptation에 의해 healing되는 것이 아니라 entire wound bed가 healing process에 관여한다는 의미

- 즉 wound 전체에서 inflammation, collagen deposition, remodelling이 진행

1. entire wound bed가 healing process에 관여

: tendon 자체의 collagenous, spot-welding, end to end coaptation으로 일어나는 것이 아님

2. tendon healing의 mechanical factors

① selection of suture

② method to approxmate the tendon end

③ surgical manipulation of sheath

④ sheath substitute

⑤ postoperative mechanical therapy(PT/OT)

□ Excercise, early mobilization : elongate scar through out the wound full range of motion 을 확보