傷口修復中抑制瘢痕用功能敷料的研究進展

宋子鈺， 趙居陽， 秦 玥， 黃小睿， 高 晶,2， 王 璐,2

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織行業(yè)生物醫(yī)用紡織材料與技術重點實驗室， 上海 201620)

皮膚是人體與外部環(huán)境之間的界面，對人體組織和器官起著必要的保護作用，常受到燒傷、燙傷、割傷等外部傷害。當皮膚受到損傷時，會發(fā)生一系列的反應進行傷口修復,這是一個動態(tài)連續(xù)而又復雜的過程，主要分為炎癥期、增殖期和重塑期3個階段。修復的各個階段并不獨立進行，而是相互重疊，各種組織和細胞之間有著復雜而有序的相互作用[1]。同時，許多細胞因子、生長因子和蛋白酶都與傷口修復過程密切相關[2]。皮膚瘢痕則是組織受傷后修復的最終結果[3]。

瘢痕組織是由肉芽組織轉化而來的纖維結締組織，含有大量平行的膠原纖維束或雜亂無序的纖維網(wǎng)絡，不包含毛囊、皮脂或者汗腺，缺乏正常皮膚的復雜網(wǎng)紋結構，這極大地降低了瘢痕的彈性和應力[4-5]。據(jù)報道，瘢痕組織的抗張強度只有原始皮膚的70%左右，極易受到二次傷害[3,6]。此外，瘢痕組織雖然能夠將損傷的傷口填補并連接起來，保持皮膚組織的完整性，但是卻存在瘢痕的收縮和產生增生性瘢痕等問題[7]。瘢痕收縮通常發(fā)生在人體關節(jié)處，會造成患者的行動受限[8-9]。而增生性瘢痕是瘢痕組織過度增生的結果，其主要特征為纖維化和細胞外基質蛋白的過度沉積[7,10-11]。增生性瘢痕多發(fā)生在深部創(chuàng)傷、嚴重燒傷或手術切口后，導致患者較大程度的美容缺陷和功能損害，因此，無論是在外觀，還是在生物學功能方面，皮膚瘢痕都會給患者帶來沉重的心理負擔和身體健康隱患。

近年來,人們在積極尋找各種治療皮膚瘢痕的方法，包括壓力治療、激光治療、手術矯正、注射藥品等[12-14]，但這些方法存在壓力治療療效低,激光產生熱傷害及需要療后護理,手術矯正后復發(fā)率高,藥品多次注射帶給患者巨大痛苦等諸多問題[13-14]。相比之下，功能敷料可在傷口愈合的早期介入，通過不同的釋藥系統(tǒng)降低炎癥反應，調節(jié)與瘢痕形成有關的各生長因子和細胞因子表達的效果，且為傷口愈合提供物理支撐以及無疤愈合所需的濕潤環(huán)境，從而在根本上預防瘢痕的生成。瘢痕形成涉及傷口愈合全過程，功能敷料在任一階段的干預都會影響皮膚瘢痕的產生。單一功能的傷口敷料，尤其是用于抗菌和促進傷口愈合的敷料，都表現(xiàn)出了一定的瘢痕抑制效果。本文通過對近年來用于抑制皮膚瘢痕的功能敷料的研究進行總結，期望為未來設計和開發(fā)更加有效地抑制瘢痕的敷料提供參考。

1 基于降低炎癥反應的抑疤敷料

皮膚受傷后，由于細菌和微生物等侵入引起傷口的炎癥反應(見圖1)，此時單核細胞、中性粒細胞、巨噬細胞等炎癥細胞富集到創(chuàng)傷區(qū)域，通過分泌蛋白酶和吞噬作用進行殺菌和降解壞死組織，同時分泌高水平的促炎因子[4,7]。這些促炎因子通過激活成纖維細胞促進瘢痕組織形成，且促炎因子的持續(xù)高表達也會募集并激活更多的炎癥細胞[15-16]。炎癥反應是皮膚受到損失后的正常反應，但過度的炎癥反應會促進成纖維細胞的過度增殖和其細胞產物的增多，從而加重瘢痕的形成[17-18]。有研究從另一方面證實，減少局部單核細胞和巨噬細胞的形成會顯著抑制成纖維細胞的過度增殖和傷口瘢痕組織纖維化[4]，因此，減少細菌對傷口的感染，降低炎癥反應有利于抑制皮膚瘢痕的形成。Sadiya等[19]在棉織物表面涂層殼聚糖(CS)/聚乙二醇(PEG)/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水凝膠，并加入鹽酸四環(huán)素(TC)，設計開發(fā)了一種抗菌并能夠預防瘢痕的創(chuàng)面敷料CPPC-TC。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：該敷料48 h的TC累積釋放率為80%，其對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均表現(xiàn)出良好的抗菌特性；與無TC的敷料對照組相比，經(jīng)CPPC-TC處理的傷口的瘢痕面積由原來的10.7%降低到0.33%。

圖1 炎癥反應對瘢痕形成的影響機制

在皮膚受到嚴重創(chuàng)傷后，傷口組織會因缺乏氧氣而導致炎癥反應的增強，此時會產生過量的活性氧(ROS)，引起氧化應激反應，對周圍的正常細胞環(huán)境和成纖維細胞造成傷害[20-21]。Vivek等[20]將具有抗氧化性的姜黃素和鈰Ce3+用于靜電紡敷料中，由于姜黃素和鈰Ce3+具有雙重抗氧化性，使得傷口中的超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶的水平提高，ROS水平降低，有效減弱了氧化應激反應。將該敷料應用于大鼠全層傷口中，顯示出完全愈合和重新上皮形成，且沒有觀察到瘢痕的生成。

2 基于調控信號傳導的抑疤敷料

增殖期是控制傷口瘢痕形成的關鍵時期。在這個階段角質形成細胞增殖，表皮層重建，皮膚再上皮化；肉芽組織形成，包括新血管生成和纖維增生，以填補傷口和恢復皮膚的基本功能。這些過程涉及多種細胞的生理活動和細胞間的信號傳導，尤其值得注意的是，成纖維細胞生理活動的任何異常都將導致皮膚瘢痕的產生[22]。

2.1 通過角質形成細胞進行的信號調控

角質形成細胞位于表皮的最上層，是表皮的主要構成細胞。外界環(huán)境的變化可直接影響角質形成細胞的生物學行為，其中傷口愈合環(huán)境中水分的變化是角質形成細胞信號傳導的關鍵影響因素。Xu等[23]研究發(fā)現(xiàn)，傷口中水分減少會導致皮膚局部的鈉濃度發(fā)生變化，位于角質形成細胞表面的鈉通道檢測到這一變化，從而引起信號通路的改變。受胎兒無疤傷口愈合的啟發(fā)，人們認為胎兒的無疤愈合得益于其水合良好，即濕潤的環(huán)境[24]。Zhao等[25-26]研究發(fā)現(xiàn)，傷口水分減少會促使角質形成細胞分泌HMGB1和S100A12蛋白，其通過RAGE、TLR2、TLR4等受體刺激MRTF-A/SRF信號軸，從而激活成纖維細胞，使得膠原纖維密度增加形成增生性瘢痕，因此，在研究設計抑制瘢痕的功能敷料時，必須考慮敷料的吸水性和保濕性，以維持傷口表面濕潤的愈合環(huán)境。

自20世紀50年代以來，傷口濕潤環(huán)境愈合理論便被研究者們提出并逐漸完善，濕性敷料也迎來了迅速發(fā)展階段[27]。目前，所用較多的濕性敷料主要有水凝膠類、海綿類、親水性纖維類等，常用到的生物材料有殼聚糖、藻酸鹽類、絲素蛋白、明膠等。水凝膠是一種具有三維網(wǎng)絡結構的新型功能高分子材料，具有親水基團，能被水溶脹但不溶于水，因此，水凝膠制備醫(yī)用敷料具備保持創(chuàng)面濕潤的特性[28]。有研究證明，殼聚糖/明膠水凝膠能夠促進成纖維細胞增殖、膠原蛋白合成和新血管形成，從而在較早的肉芽組織形成和再上皮形成過程中促進皮膚傷口的正常愈合[29]。

殼聚糖是甲殼素的N-去乙酰化衍生物，存在于殼聚糖中的N-乙酰氨基葡萄糖是皮膚組織的主要成分，對于瘢痕組織的愈合起著至關重要的作用[30]。Wang等[31]研究發(fā)現(xiàn)，不同形態(tài)羧甲基殼聚糖(CMCS)敷料對瘢痕的抑制機制和效果有所差異。由于具有多孔結構和更多的生物活性結合位點，CMCS海綿具有良好的吸水性和促進成纖維細胞增殖的作用，其轉化生長因子TGF-β1和α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA)在創(chuàng)面愈合過程中的表達最高；而CMCS水凝膠和CMCS膜則有利于刺激MMP-1的表達，從而抑制瘢痕生物形成和促進真皮的正常愈合。

2.2 阻斷TGF-β/Smad信號傳導

轉化生長因子TGF-β是影響瘢痕形成的關鍵活性因子[1]。TGF-β有多種亞型，其中TGF-β1和TGF-β2通過與受體復合物結合磷酸化Smad2和Smad3蛋白，磷酸化的Smad2和Smad3與Smad4形成二聚體轉移到細胞核中，作為轉錄因子發(fā)揮作用，從而促進瘢痕的形成，其信號通路如圖2所示。此外，TGF-β1還通過誘導Smad3轉錄蛋白，激活Wnt信號通路增強瘢痕的生成；而TGF-β3作為受體拮抗劑，可以阻斷信號傳導，從而減少瘢痕形成[1,7,32]。TGF-β/Smad信號傳導的失調會刺激結締組織生長因子的表達，成纖維細胞持續(xù)活化會導致膠原合成和沉積的異常，最終Ⅰ/Ⅲ型膠原比例增加以及異常交聯(lián)的膠原纖維束形成，可加重瘢痕的產生和纖維化[3,32]，因此，目前的研究大多針對阻斷TGF-β/Smad信號的傳導以減輕或抑制皮膚瘢痕的形成。Wang等[33]將SB-525334(小分子TGF-β1抑制劑)負載到聚己內酯(PCL)/明膠靜電紡納米纖維支架上以控制瘢痕的增生，實驗結果顯示瘢痕表皮基底層變平，真皮層與健康皮膚組織相似，且Ⅰ型膠原水平顯著降低，膠原蛋白沉積正常，增生性瘢痕得到有效控制。人參皂苷Rg3是人參的生物活性成分，該成分可通過阻斷TGF-β/Smad信號通路抑制瘢痕成纖維細胞的增殖、血管的過量生成和膠原蛋白的過度合成，從而抑制瘢痕的產生[34]。Cui等[35]將人參皂苷Rg3(G-Rg3)以無定形狀態(tài)摻入到聚(L-乳酸)(PLLA)纖維中，制備了靜電紡G-Rg3/PLLA纖維支架。與不負載G-Rg3的支架相比，G-Rg3/PLLA靜電紡纖維支架通過減少真皮層厚度、增生性瘢痕成纖維細胞的增殖和膠原纖維密度等，有效抑制了增生性瘢痕的形成。Faraz等[36]利用具有降低TGF-β1表達作用的鹽酸二甲雙胍制備了靜電紡支架，結果顯示鹽酸二甲雙胍的局部給藥顯著降低了瘢痕相關標記物(Ⅰ型膠原蛋白、Ⅲ型膠原蛋白、纖連蛋白、α-SMA以及TGF-β1)的基因表達，從而減少了瘢痕的形成。

圖2 TGF-β/Smad信號通路

3 基于促進組織再生的抑疤敷料

重塑期是瘢痕的形成時期，在瘢痕形成過程中，肉芽組織水分吸收減少，血管逐漸退化，膠原纖維量增多并發(fā)生玻璃樣變性，從纖維結締組織轉變?yōu)轳：劢M織[7]。皮膚在傷口愈合過程中很多組分會發(fā)生變化。其中，瘢痕組織的形成過程主要包括3個方面的變化：一是成纖維細胞向肌成纖維細胞的分化，其標志是α-SMA的生成；二是細胞外基質含量和組分發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為膠原蛋白等物質的過度沉積和膠原蛋白類型的轉變。其中，膠原蛋白的過度沉積是瘢痕增生的主要原因，而Ⅰ型膠原蛋白是傷口瘢痕的主要成分[4,37]；三是血管和皮膚附屬物的缺失，瘢痕組織缺少正常皮膚組織所包含的血管、皮脂、毛囊以及汗腺等成分。如何控制瘢痕組織中各組分的轉變及其含量的變化，促進皮膚組織再生，是控制皮膚瘢痕產生的重點。

3.1 控制成纖維細胞的增殖分化

α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA)不僅是皮膚愈合過程中成纖維細胞活化的主要標志物，也是具有收縮特性的肌成纖維細胞的典型標志物，能夠將傷口邊緣連接在一起產生收縮反應[38]，因此，過多α-SMA的產生，意味著成纖維細胞的過度增殖分化和肌成纖維細胞的過度生成，使傷口組織收縮過度。細胞外基質(ECM)是在成纖維細胞向肌成纖維細胞分化的過程中產生的[39]。過多的蛋白質生成和較少的膠原降解，導致了ECM在皮膚組織中含量過高，從而表現(xiàn)為皮膚組織變厚，這與成纖維細胞的過度增殖和膠原酶數(shù)量減少或活性降低有關。MG53是具有多種生物功能的TRIM家族蛋白，可以通過促進細胞膜修復和控制成纖維細胞向肌成纖維細胞分化，來促進傷口愈合并減少瘢痕的形成[39]。Li等[40]將重組人源蛋白rhMG53封裝在熱敏水凝膠中，與無rhMG53的對照組相比，用rhMG53處理的成纖維細胞中α-SMA和ECM成分的表達降低，且用rhMG53水凝膠治療的大鼠瘢痕明顯減少。

3.2 調節(jié)ECM的變化

ECM作為皮膚細胞生存的微環(huán)境，還與細胞的基本生命活動密切相關。其中，ECM組分可調節(jié)生長因子的釋放、組織病理改變和炎性應答等過程，是決定皮膚修復質量的關鍵因素之一[41]。在瘢痕生成過程中，ECM組分的主要變化是Ⅲ型膠原的減少和Ⅰ型膠原的增多。Ⅰ型膠原分泌過多會導致纖維結構紊亂和增生性瘢痕形成，而Ⅲ型膠原在創(chuàng)面修復中起到構建橋梁的作用，隨后生成的Ⅰ型膠原可以沿Ⅲ型膠原方向有序排列，形成穩(wěn)固的支架，從而促進創(chuàng)面的無瘢痕愈合[42]。足夠含量的Ⅲ型膠原蛋白是一種可以阻止瘢痕形成的調節(jié)劑。Yalman等[43]將腐殖酸和藻酸鹽交聯(lián)制備水凝膠傷口敷料，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)這種敷料可抑制Ⅰ型膠原的過度表達，并刺激Ⅲ型膠原的表達，具有促進傷口創(chuàng)面無瘢痕愈合的潛力。

此外，瘢痕組織中存在大量平行排列的膠原纖維束。膠原纖維是由膠原蛋白在細胞外聚合交聯(lián)而成的纖維組合物[44]。粗大的Ⅰ型膠原纖維質地堅硬而沒有彈性，是瘢痕組織纖維化的物質基礎[42]。而膠原酶可以降解瘢痕組織中的膠原纖維，起到減少和軟化瘢痕的作用。曲安奈德(TA)是一種常用的治療皮膚瘢痕的糖皮質激素，具有抑制成纖維細胞增殖和增加膠原酶合成的作用[13]。Lin等[13]使用可溶性微針系統(tǒng)將TA進行透皮給藥，結果證實TA能夠加速Ⅰ型膠原的降解，并抑制成纖維細胞的增殖，促進成纖維細胞的凋亡，從而使傷口愈合良好，無明顯瘢痕生成。

3.3 促進血管和皮膚附屬物的生成

瘢痕組織的生物學功能喪失還表現(xiàn)在不存在血管以及不包含毛囊、皮脂和汗腺等皮膚附屬物。觀察傷口無疤愈合，不僅要觀察其宏觀形貌下無瘢痕形成，更要關注皮膚組織的功能再生，即組織中是否有血管和皮膚附屬物等的生成。Zhang等[45]通過加入共價交聯(lián)劑，對殼聚糖水凝膠的陽離子性質進行調節(jié)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)5%CMCS處理的傷口在第14天形成了具有正常組織(包括皮脂腺和毛囊等)的真皮結構。此外，這項研究還設計了5%CMCS/蘆薈復合敷料，發(fā)現(xiàn)加入蘆薈的CMCS水凝膠進一步增強了對傷口愈合過程中肥厚性瘢痕形成的抑制作用。此外有研究發(fā)現(xiàn)，黃芪甲苷Ⅳ可以通過刺激核仁細胞的增殖和遷移，促進新血管的形成以及平衡膠原蛋白的合成，從而顯著促進傷口的再上皮化、血管生成和調節(jié)細胞外基質的重塑[46]。Chen等[47]通過溶劑蒸發(fā)法制備固體脂質納米顆粒(SLN)作為黃芪甲苷Ⅳ的藥物載體，并將SLN分散體嵌入到水凝膠中。該水凝膠明顯促進了角質形成細胞的增殖和遷移以及體外成纖維細胞的藥物吸收，通過維持Ⅲ型膠原與Ⅰ型膠原的生成比例，使修復后的創(chuàng)面具有顯著的血管生成功能，以及很好的傷口愈合和抗瘢痕效果。Shan等[48]通過靜電紡技術制備了載有黃芪甲苷Ⅳ的絲素蛋白/明膠納米纖維敷料，絲素蛋白/明膠纖維膜可模仿細胞外基質的結構和組成，該敷料處理的傷口能夠較快地愈合，且再生皮膚中有大量血管生成，皮膚愈合處膠原蛋白的沉積也與正常皮膚相似，表現(xiàn)出了良好的抗瘢痕特性。

堿性成纖維細胞生長因子(bFGF)在傷口愈合的增殖期和重塑期對瘢痕形成都有著重要影響。bFGF通過抑制TGF-β/Smad信號通路以減少瘢痕形成并促進傷口愈合。此外，bFGF還通過干擾膠原分布和α-SMA的表達來調節(jié)ECM的合成和降解[49]。Cheng等[50]制備了載有bFGF的表面生物功能化載藥靜電紡纖維支架(P-Rg3-P-bFGF)，P-Rg3-P-bFGF在第14天的傷口愈合率明顯高于其他未改性支架，傷口幾乎愈合，并完全重新上皮化，瘢痕增生性指數(shù)也明顯降低。

針對皮膚傷口愈合的3個階段，功能敷料分別通過降低炎癥反應、調控信號傳導和促進組織再生的作用機制來抑制瘢痕的產生，其總結如表1所示。用于抑制皮膚瘢痕的功能敷料，不僅包含了針對某一特定機制的單一作用敷料，而且還有多藥物負載發(fā)揮多重作用的多功能敷料。雖然出自不同的考慮，但都經(jīng)過對瘢痕形成機制的深入研究，并對所用聚合物進行了優(yōu)選和設計，期望達到更好的瘢痕抑制效果。但是，當前用于抑制瘢痕的功能敷料都缺乏對瘢痕形成機制的綜合考慮以及瘢痕抑制效果的全面系統(tǒng)的表征。

表1 傷口愈合各階段的抑制瘢痕措施

4 結束語

通過上述內容分析不難發(fā)現(xiàn)，用于抑制皮膚瘢痕的功能敷料，往往是基于研究者們對于瘢痕形成機制的研究，然后根據(jù)某一機制或者幾種機制對敷料進行材料優(yōu)選和結構設計。由于瘢痕形成是一個動態(tài)復雜的過程，涉及許多信號傳導和蛋白質表達的過程，所以到目前為止對于瘢痕形成的機制并沒有達到完全的掌握和理解。功能性抑疤敷料的設計和表征也不盡完善，抑制瘢痕的治療效果受到很多因素限制。除此之外，功能敷料想要達到更好的瘢痕抑制效果，需要多重藥物的負載，包括激素、中草藥以及生物活性成分等。不同藥物的負載，需要考慮其載藥形式、釋放順序以及釋放速率等問題，給藥系統(tǒng)與敷料結構的配合也應該具有持續(xù)有效的作用效果，因此，未來在開發(fā)和設計抑疤敷料時，不僅要綜合考慮影響瘢痕形成的因素，也要注重新型給藥系統(tǒng)的研究和敷料結構的優(yōu)化利用。