氧微環(huán)境對急慢性創(chuàng)面愈合影響的研究進(jìn)展

周璇 金琳博 張一鳴

當(dāng)致傷因素使皮膚甚至深層組織的完整性遭到破壞，機(jī)體隨即啟動自我修復(fù)功能。創(chuàng)面愈合作為一個復(fù)雜、持續(xù)而有序的生物學(xué)過程，可分為四個存在交疊的環(huán)節(jié)：止血，炎癥，增殖及組織重塑[1]。愈合的過程依靠多種細(xì)胞、生長因子及炎性介質(zhì)的參與。止血期為初始階段，血管收縮和血凝塊形成可防止受損部位進(jìn)一步失血。隨后進(jìn)入第二階段炎癥期，此時，中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞被招募來清除受損部位的碎片及外來微生物以防止感染。隨后是增殖期，成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和角質(zhì)形成細(xì)胞等細(xì)胞生成新鮮肉芽組織和上皮組織。最后階段為組織重塑期，此時成纖維細(xì)胞通過分泌和重組膠原形成堅固的密封；一旦創(chuàng)面閉合完成，重塑過程會持續(xù)長達(dá)幾個月甚至更長[1]，大量膠原基質(zhì)沉積在傷口中，富含成纖維細(xì)胞的肉芽組織逐漸被相對無細(xì)胞的瘢痕所取代。正常情況下，健康病人的急性創(chuàng)面可在2～3周內(nèi)自然封閉，隨后進(jìn)入重塑階段，然而，當(dāng)以上任何一個環(huán)節(jié)遭到干擾或破壞，都可能導(dǎo)致創(chuàng)面經(jīng)久不愈，轉(zhuǎn)變?yōu)槁詣?chuàng)面。

延遲創(chuàng)面愈合的不良因素可分為外源性和內(nèi)源性因素。常見的外源性因素包括感染、機(jī)械壓力、護(hù)理不當(dāng)?shù)萚2]，而內(nèi)源性因素則與病人自身的免疫或代謝紊亂(如高血糖、高氧化應(yīng)激狀態(tài)、營養(yǎng)不良、缺血等)密切相關(guān)[3]，尤其是對于糖尿病病人，慢性高糖引起微血管病變及紅細(xì)胞攜-釋氧能力下降，微環(huán)境長期低氧使內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和角質(zhì)形成細(xì)胞等功能障礙，同時伴有持續(xù)的炎性反應(yīng)，即使未繼發(fā)感染，也難以正常、及時地完成創(chuàng)面修復(fù)過程。

氧是有機(jī)體完成各類生理生化過程必不可少的無機(jī)小分子，是一種重要的細(xì)胞信號。氧濃度變化(無論是低氧還是高氧)可精確激活多個信號通路以調(diào)節(jié)細(xì)胞功能[4]，在組織損傷和創(chuàng)面愈合過程中發(fā)揮著重要作用。近年來，通過調(diào)控局部或全身氧微環(huán)境來促進(jìn)創(chuàng)面修復(fù)再生作為一個新興方向，由于其有效性開始受到國內(nèi)外學(xué)者的青睞[4-7]。

低氧微環(huán)境

一、對急性創(chuàng)面愈合的影響

在急性創(chuàng)面形成之初，因損傷引起局部血管破壞、細(xì)胞耗氧增高，創(chuàng)周微環(huán)境處于低氧甚至缺氧。但即使在早期氧張力不足的環(huán)境中，內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞仍然在繼續(xù)遷移、合成蛋白質(zhì)和增殖，隨著新生肉芽組織形成取代受損組織，氧濃度也因血管重建逐步恢復(fù)正常。可見，低氧可作為組織修復(fù)及血管生成的早期刺激因素來促進(jìn)急性創(chuàng)面愈合，這與臨床中呈現(xiàn)的短期應(yīng)用半透性敷料所營造的低氧環(huán)境可以加速創(chuàng)面修復(fù)的這一結(jié)果相一致。

二、促進(jìn)急性創(chuàng)面愈合的機(jī)制

1、促進(jìn)肉芽組織的生成：新生肉芽組織可填補(bǔ)真皮或皮下組織損傷后的缺損，為表皮細(xì)胞的覆蓋提供條件。肉芽組織富含毛細(xì)血管和成纖維細(xì)胞，其中毛細(xì)血管可為局部細(xì)胞運輸氧氣和必要的營養(yǎng)，而增殖活躍的成纖維細(xì)胞可分泌多種促進(jìn)修復(fù)的細(xì)胞因子，亦可合成膠原構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì)成分。

關(guān)于短期低氧促進(jìn)創(chuàng)面愈合的機(jī)制，既往研究多集中于低氧誘導(dǎo)因子-1(HIF-1)，它是一個可表達(dá)于人體幾乎所有類型細(xì)胞的專一調(diào)節(jié)氧穩(wěn)態(tài)的核轉(zhuǎn)錄因子，具有高度特異性。HIF-1由HIF-1α和HIF-1β亞基組成，HIF-1β持續(xù)表達(dá)于細(xì)胞核內(nèi)，當(dāng)氧濃度降低，HIF-1α表達(dá)水平急劇增加[8]，進(jìn)入胞核與HIF-1β結(jié)合，組成異源二聚體HIF-1，通過調(diào)控多個靶基因，使細(xì)胞對微環(huán)境中的氧濃度改變作出應(yīng)答，其中涉及的主要生理過程包括炎癥反應(yīng)、血管生成和糖酵解。

無論是在生理還是病理條件下，HIF-1α的表達(dá)升高都是刺激血管生成的主要因素。皮膚組織急性損傷后，因低氧而合成增多的HIF-1激活下游靶基因，增加血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)的分泌，VEGF通過旁分泌的方式增加內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和存活。新生血管的萌發(fā)和重建，增加了組織血流量，改善了微循環(huán)。而在HIF-1α敲除小鼠模型中，成纖維細(xì)胞HIF-1α的缺失引起VEGF分泌不足，創(chuàng)面新生血管數(shù)量顯著減少，造成愈合創(chuàng)面延遲[6]。

當(dāng)暴露于急性缺氧條件下時，成纖維細(xì)胞的增殖大大增強(qiáng)[9]，轉(zhuǎn)化生長因子-β1(TGF-β1)的分泌呈倍數(shù)增長[4]，同時，短期低氧刺激通過特定的細(xì)胞內(nèi)信號通路，誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞分化，而肌成纖維細(xì)胞的收縮有助于開放傷口的收縮[7]。反之，慢性缺氧則會嚴(yán)重降低成纖維細(xì)胞的活性。

此外，自噬是創(chuàng)面愈合過程中內(nèi)皮細(xì)胞的重要保護(hù)機(jī)制。低氧所誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞自噬不僅能促進(jìn)其抗凋亡和存活，而且是血管生成的誘導(dǎo)因子。有報道顯示，間歇性缺氧通過AMPK-mTOR信號通路誘導(dǎo)自噬，降低人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVECs)的凋亡率，改善其功能[10]；使用自噬抑制劑或通過沉默Atg5表達(dá)下調(diào)自噬后，內(nèi)皮細(xì)胞的遷移和成管活性被顯著抑制[11]。

2、促進(jìn)再上皮化：創(chuàng)面修復(fù)過程中，分布于創(chuàng)緣的角質(zhì)形成細(xì)胞增殖加速，新生細(xì)胞不斷地向創(chuàng)面中心遷移，完成再上皮化，最終達(dá)到創(chuàng)面的封閉。因此，表皮細(xì)胞遷移是創(chuàng)面再上皮化的起始事件及限速步驟[12]。有研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠燒傷模型中，傷后即呈現(xiàn)出創(chuàng)緣氧分壓低于正常皮膚的現(xiàn)象，在愈合末期逐漸接近正常[5]；在缺氧條件下，Notch1信號通路的激活誘導(dǎo)創(chuàng)面邊緣整合素β1的上調(diào)，而整合素β1的高表達(dá)促進(jìn)了角質(zhì)形成細(xì)胞遷移[13]，顯示出低氧這一微環(huán)境因素在創(chuàng)面再上皮化過程中起到關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用。我們課題組的研究發(fā)現(xiàn)，低氧處理HaCaT細(xì)胞24小時后，其細(xì)胞骨架發(fā)生改變且遷移能力明顯增強(qiáng)[14-15]，進(jìn)一步基因分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CC趨化因子配體2(CCL2)及其受體CCR2同時顯著高表達(dá)，提示CCL2與CCR2結(jié)合來刺激細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，在低氧誘導(dǎo)的表皮細(xì)胞遷移過程中發(fā)揮重要作用，加速創(chuàng)面封閉。

此外，有研究發(fā)現(xiàn)，Atg5/7敲除小鼠創(chuàng)面的角質(zhì)形成增殖和分化率遠(yuǎn)低于野生型小鼠，表明角質(zhì)形成細(xì)胞的自噬能促進(jìn)其自身分化、增殖和遷移，有利于創(chuàng)面再上皮化的完成[16]。

3、調(diào)節(jié)炎癥和免疫功能：過度炎癥反應(yīng)是受損組織氧代謝異常最常見的原因之一。創(chuàng)面的局部低氧可誘導(dǎo)細(xì)胞自噬[17]。非選擇性自噬可負(fù)向調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)、抗氧化應(yīng)激和抗凋亡，防止炎癥反應(yīng)異常升高而損傷自身組織，有助于細(xì)胞存活并完成創(chuàng)面的修復(fù)；同時，選擇性的異源自噬還可直接參與抗感染免疫應(yīng)答，當(dāng)識別到侵入傷口的細(xì)菌、病毒等致病微生物后，通過病原模式相關(guān)分子(PAMPs)的宿主模式識別受體(PRRs)并誘導(dǎo)自噬發(fā)生，病原體被巨噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞等內(nèi)吞后，轉(zhuǎn)運至溶酶體內(nèi)實現(xiàn)清除[18]。

此外，HIF-1除了介導(dǎo)對缺氧的適應(yīng)外，也在調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)中扮演著重要角色。HIF-1可以通過控制糖酵解的代謝切換進(jìn)而影響炎性細(xì)胞的浸潤[19]；HIF-1α的功能性失活導(dǎo)致巨噬細(xì)胞的運動性、侵襲性和黏附性都大大降低;低氧上調(diào)HIF-1α，誘導(dǎo)一氧化氮合成酶(NOS)和病毒殺傷肽的表達(dá)，強(qiáng)化中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞吞噬致病微生物。

三、對慢性創(chuàng)面愈合的影響

不同于正常愈合的急性創(chuàng)面，慢性難愈性創(chuàng)面的病人自身往往存在一些健康狀況，如糖尿病、免疫功能缺陷、嚴(yán)重感染、肥胖等，創(chuàng)面組織長期氧供不足，低氧應(yīng)答受損，持續(xù)的病理性炎癥反應(yīng)使得毛細(xì)血管形成缺乏，新鮮肉芽組織生長被抑制，而表皮細(xì)胞增殖、分化乏力導(dǎo)致再上皮化困難，若繼續(xù)降低創(chuàng)面氧供更會大大延遲其愈合。根據(jù)諸多實驗研究及臨床經(jīng)驗，低氧對慢性創(chuàng)面的愈合是不利的。

高氧微環(huán)境

局部或全身使用氧療已有悠久的歷史[20]，其中，高壓氧治療(HBOT)是最常用的改善組織氧微環(huán)境的方式。HBOT是一種基于暴露在高于絕對大氣壓力的純氧中以提高組織氧化程度的方法。近年來，最初為治療潛水病而建造的高壓氧艙已被輔助性地應(yīng)用于多種缺血缺氧性疾病，也包括創(chuàng)面的治療。

一、對急性創(chuàng)面愈合的影響

將氧療用于治療急性創(chuàng)面的臨床及實驗證據(jù)均不足，國內(nèi)外醫(yī)務(wù)工作者目前尚未認(rèn)可該手段針對急性創(chuàng)面的必要性及有效性，在此不過多講述。

二、對慢性創(chuàng)面愈合的影響

由臨床經(jīng)驗可知，HBOT對改善壞死性筋膜炎、糖尿病足潰瘍、燒傷等造成的創(chuàng)面的預(yù)后尤其有效。也有基礎(chǔ)實驗研究表明，HBOT可通過增加內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量來提高傷口的愈合率[21]；創(chuàng)面應(yīng)用HBOT可增加生長因子的產(chǎn)生，尤其是VEGF，并與Nrf2轉(zhuǎn)錄因子增加呈正相關(guān)[20]；成纖維細(xì)胞的增殖率也與HBOT劑量呈正相關(guān)[4]。而在被輻照的兔模型中，將常壓氧與高壓氧治療進(jìn)行比較，高壓氧組組織的血管密度增加了8～9倍，再次證明在較高壓力下氧氣可激發(fā)血管生成[22]。感染也是導(dǎo)致傷口無法如期愈合的重要原因之一，而厭氧菌在缺氧的軟組織內(nèi)更易存活，因此，使用HBOT作為抗菌治療的輔助手段，其療效明確。在慢性創(chuàng)面中，細(xì)菌生物膜的檢出率高達(dá)78.2%[23]，HBOT不僅可以產(chǎn)生游離氧自由基直接破壞厭氧菌的DNA鏈，清除其生物膜，還可以通過增加微環(huán)境內(nèi)氧含量而間接發(fā)揮抗菌效應(yīng)。

調(diào)節(jié)氧微環(huán)境在創(chuàng)面治療中的應(yīng)用

適度的間歇性低氧對加速急性創(chuàng)面愈合的療效值得肯定，但將病人直接置于低氧甚至缺氧環(huán)境中以達(dá)到全身低氧顯然不可取，因此，使用傷口敷料直接構(gòu)建局部缺氧環(huán)境或使用藥物刺激分泌或補(bǔ)充相關(guān)分子來模擬低氧效果，是目前研究的著眼點。事實上，短期應(yīng)用半透性敷料形成局部低氧環(huán)境來治療急性創(chuàng)面已在臨床上被廣泛應(yīng)用，同時也有促進(jìn)隨機(jī)皮瓣愈合的多功能水凝膠等多功能材料仍處于研發(fā)階段[24]。

針對治療難度更大的慢性創(chuàng)面，新型生物材料或藥物的研發(fā)也從未停止過，如低氧誘導(dǎo)的可注射水凝膠、可釋放治療性銅離子的復(fù)合體系水凝膠及通過胞外囊泡載藥的生物活性敷料等[25-27]，上述多元化的材料都一定程度上促進(jìn)了受損組織血管新生、真皮膠原基質(zhì)重建和(或)再上皮化，為加速復(fù)雜的難愈性慢性創(chuàng)面的康復(fù)提供了極具參考價值的策略。同時，HBOT作為一項物理治療手段，可糾正壞死性筋膜炎、糖尿病足潰瘍、燒傷等病變導(dǎo)致的組織慢性缺氧，降低厭氧菌的感染風(fēng)險，輔助創(chuàng)面修復(fù)。

在創(chuàng)面愈合過程中，多種細(xì)胞生物學(xué)活動的增加帶來氧耗需求的增加，適宜濃度及壓力的氧氣顯得尤為重要。研究已表明，調(diào)控氧微環(huán)境無論是對急性還是慢性創(chuàng)面，都可發(fā)揮出正向影響。隨著缺氧相關(guān)生物材料及制劑的研發(fā)越來越火熱，效果更顯著、功能更全面、使用更便捷的新型生物制品具有廣闊的發(fā)展前景。