傷口組織與電刺激調(diào)控的相關(guān)性研究*

梁媛媛 許佳捷 郭 鑫 梁合鵑 江 鍵

（海軍軍醫(yī)大學(xué)衛(wèi)生勤務(wù)學(xué)系數(shù)理教研室，上海 200433）

當(dāng)皮膚完整性受到破壞時，傷口內(nèi)會產(chǎn)生內(nèi)源性電場，對創(chuàng)面各階段的愈合均有促進作用[1]。外源性電場可以協(xié)助對創(chuàng)面進行治療，溫和的電流更有利于促進皮膚成纖維細胞排列(傷口愈合過程中的關(guān)鍵步驟)，并產(chǎn)生促進組織生長的化學(xué)物質(zhì)[2]。美國國家航空航天局(NASA)在2016年研發(fā)出一款聚偏二氟乙烯(PVDF)新型繃帶，其與人體皮膚接觸時，會產(chǎn)生少量電流，有助于加快傷口愈合。隨著對傷口愈合過程認識的逐漸加深，對慢性創(chuàng)面治療的關(guān)注已從單純的清創(chuàng)、局部敷料治療發(fā)展到較為復(fù)雜的創(chuàng)口微環(huán)境的治療[3]。近期國內(nèi)外研究者采用了多種手段提供外源性電刺激，以調(diào)控慢性傷口微環(huán)境的生長過程，并在傷口組織的形態(tài)學(xué)改變、分子生物學(xué)機制研究等方面發(fā)表了大量有價值的文獻，討論了電刺激療法加速皮膚創(chuàng)面愈合的現(xiàn)狀和前景。

1 傷口組織的形態(tài)學(xué)及其內(nèi)源性電場

創(chuàng)面愈合過程主要分為炎癥期、增殖期、重構(gòu)期3 個階段，這3 個階段受到多種細胞、細胞因子和生長因子的調(diào)控。

以皮膚傷口愈合的過程為例，皮膚受損后，血小板被刺激而在受損部位聚集，同時形成由紅細胞、血小板和交聯(lián)纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)組成的纖維蛋白凝塊，促進止血，并分泌生長因子、細胞因子以及其他凝血連鎖反應(yīng)所需的凝血因子，凝血因子和血小板激活了炎癥反應(yīng)（期）。該期的主要特點是5-羥色胺、組胺和生物活性因子的釋放，導(dǎo)致毛細血管通透性增加，進而吸引炎癥細胞進入傷口區(qū)，包括中性粒細胞和巨噬細胞。在巨噬細胞的幫助下，傷口部位的中性粒細胞對防止細菌感染發(fā)揮了主要作用。

組織再生是增殖期的主要特征，此時成纖維細胞、上皮細胞和內(nèi)皮細胞遷移、增殖，形成新的上皮、肉芽組織和血管。

重構(gòu)期包括傷口收縮和重塑，這一階段可能會造成皮膚瘢痕。各種全身或局部的因素可能干擾傷口微環(huán)境，阻礙修復(fù)過程，使有些傷口無法及時、有序地愈合，甚至持續(xù)超過6 周以上而不愈合。常見的病理因素包括：①糖尿病患者持續(xù)高血糖，導(dǎo)致細胞功能異常；②靜脈功能不全，導(dǎo)致局部組織缺血、缺氧；③細菌形成生物膜，使巨噬細胞和抗生素?zé)o法發(fā)揮作用等[4-6]。此時，巨噬細胞釋放大量的蛋白酶和毒性氧自由基，造成組織細胞、細胞外基質(zhì)和生長因子等的損傷，最終導(dǎo)致慢性傷口中肉芽組織發(fā)育障礙，表皮細胞也無法遷移，傷口愈合停滯。增生性瘢痕和瘢痕疙瘩，均為過度愈合反應(yīng)的結(jié)果，與長時間的炎癥期有關(guān)；而潰瘍或慢性傷口則是愈合不良反應(yīng)，可見蛋白水解酶活性增加、細胞增殖和遷移受損。

自從18世紀末Luigi Galvani第一次開展電生理學(xué)實驗開始，人們發(fā)現(xiàn)生物電在生物體內(nèi)普遍存在，生物電是由細胞膜上的鉀、鈉等離子通道、泵和突觸產(chǎn)生的內(nèi)源性電信號[7]。膜內(nèi)、外離子的不均勻分布是產(chǎn)生細胞生物電的基礎(chǔ)。人體相當(dāng)于一個大電容，完整的皮膚則有高達100 kΩ的阻抗，具有相對較高的電阻。當(dāng)皮膚層在任何類型的傷口中受損或被破壞時，皮膚的電阻立即下降或消失，由此產(chǎn)生上皮細胞的離子定向轉(zhuǎn)運，形成跨上皮電位（trans-epithelial potential，TEP），后者產(chǎn)生的電場在傷口邊緣相對于較深處組織顯示為帶負電[8]。許多參與傷口愈合反應(yīng)的關(guān)鍵細胞對TEP產(chǎn)生的電場敏感，包括成纖維細胞、軟骨細胞、角質(zhì)形成細胞、內(nèi)皮細胞、上皮細胞、成熟巨噬細胞和粒細胞等。TEP電場是這些細胞向傷口表面移動以及分化、分裂和增殖的信號[9]。

Fieldst用甘汞電極技術(shù)測量人體皮膚電位，證明向傷口移行的上皮細胞、膠原纖維來自于傷口周圍大約0.5 mm范圍內(nèi)的正常未受損皮膚，而且在外加電場的作用下，受電位差的驅(qū)使，細胞膜上的帶電分子可通過被動電泳和主動極化向傷口移行，膠原纖維也做同樣的取向運動，而這種移行所需電流則相當(dāng)?shù)蚚10]。

有研究表明，皮膚創(chuàng)面內(nèi)源性電場的產(chǎn)生尚與極化的上皮細胞對離子的定向轉(zhuǎn)運有關(guān)：上皮細胞的Na+和Cl-通道與K+通道和Na+/K+-ATP酶不對稱分布，產(chǎn)生了穿過細胞膜的離子流（電流）。由于損傷部位與傷口周圍正常皮膚之間存在電位差，可有低強度的直流電從正常皮膚流向傷口，這種創(chuàng)面電流是由表皮損傷后TEP短路引起的[11]。皮膚傷口的Cl-和Na+泵在維持傷口的電勢方面起著非常重要的作用[12]。

2 電刺激技術(shù)的種類

不同課題組采用的電刺激類型、波形和治療持續(xù)時間各不相同，主要是與電刺激裝置的不同密切相關(guān)。目前常用的電刺激裝置多為能產(chǎn)生不同類型電流的傳統(tǒng)電刺激裝置[13-14]，如直流電源（輸出直流）和信號發(fā)生器（輸出交流電源、脈沖電源等）等。其刺激源從直流電擴展到非直流電，如高壓脈沖電刺激 （high voltage pulsed galvanic stimulation，HVPGS）由于其獨特的波形特征及其對傷口愈合的肯定作用，自20 世紀70年代以來在國外得到了廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的外源性電刺激治療裝置雖然在傷口治療中取得了良好的效果，但其體積較大，操作繁瑣，不易攜帶，患者只能在醫(yī)院等特定場所接受治療。因此，研究人員提出了許多改進電刺激治療設(shè)備的新方法[15]，以實現(xiàn)電刺激設(shè)備的小型化、低成本、便攜性、安全性等。

3 電刺激對皮膚傷口愈合的影響

為了明確傷口電位變化對傷口愈合過程的影響因素，研究人員通過改變傷口電場強度繼而改變離子轉(zhuǎn)運，進而改變傷口電位的強度。一些研究證明生物電的存在可以通過加速關(guān)鍵細胞的遷移，調(diào)控細胞行為，促進組織再生和加速傷口愈合的過程[16]，并提出了傷口電位影響傷口愈合過程的一些可能機制。

3.1 抑菌作用

無論是大腸桿菌還是綠膿桿菌感染的兔皮膚傷口，低強度電流均有抑菌作用，尤其在陰極作用的效果更顯著。其可能機制是：①單細胞微生物受持續(xù)性電刺激后，其內(nèi)穩(wěn)態(tài)受到破壞，加速達到死亡點；②細胞內(nèi)破壞包括不可逆的酶處理過程[17]。研究表明，駐極體作為一種無需外電場的存在而能夠永久保持電極化狀態(tài)、產(chǎn)生靜電效應(yīng)的電介質(zhì)材料，可以抑制細菌生長和殺滅細菌[18]。

3.2 破壞細菌生物膜，減少感染

Pirbadian 等[19]研究認為，細菌膜電位與細胞外電子轉(zhuǎn)移（EET）密切相關(guān)。增加電極電位和相關(guān)EET 電流會導(dǎo)致更負的膜電位。EET 誘導(dǎo)的膜超極化在空間上僅限于與電極接觸的細胞和近電極區(qū)（<30 μm）內(nèi)，其中超極化隨著細胞-電極距離的增加而衰減。這一結(jié)果將對用生物電化學(xué)系統(tǒng)進一步研究傷口組織微生物群落中潛在的復(fù)雜活動空間模式具有更進一步的指導(dǎo)意義。Stratford 等[20]認為，細菌的跨膜電壓在電信號調(diào)節(jié)細胞增殖中起著核心作用。他們通過一種外源性電刺激和單細胞延時顯微鏡的裝置，研究細菌增殖狀態(tài)對電信號的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)細菌增殖和被抑制時對相同電信號的反應(yīng)方向相反。2.5 s 的電刺激會導(dǎo)致未受抗生素處理細菌細胞的超極化（對細胞內(nèi)K+和K+通道缺失的測量表明，超極化反應(yīng)是K+通過K+通道流出引起的），而當(dāng)細菌被抗生素處理時，電刺激僅誘導(dǎo)去極化。

3.3 影響組織形態(tài)

研究者還在小鼠背部皮膚上制造人工傷口，并對比了外加離子電流和無外加離子流的情況下傷口愈合7 d 內(nèi)傷口的大小。皮膚切片H-E 染色顯示，外加離子電流會導(dǎo)致傷口愈合得更快、更平滑[21]。外源性電信號促進傷口愈合的可能機制是其利用損傷電位促進傷口膠原合成及上皮再生，如Jeong 等[22]在對正常人和糖尿病患者皮膚成纖維細胞的研究中，證明電場可以加速體外細胞遷移、增殖和血管生成生長因子的分泌。陽極直流電刺激可通過提高內(nèi)源性電場的恢復(fù)速度，引導(dǎo)上皮細胞加速創(chuàng)面閉合，以加快表皮的形成。

進一步研究表明，外源性電信號對傷口愈合起促進作用還是抑制作用可能與電荷極性有關(guān)。向傷口處施加連續(xù)、穩(wěn)定和耐受的外加電場（EF），傷口中心施加負極，傷口周圍施加正極，可為角質(zhì)形成細胞向傷口中心遷移提供方向信號。在與生物電場相同的方向上施加100 mV/mm 的EF 可加速傷口愈合，角質(zhì)形成細胞呈現(xiàn)規(guī)則和相似的形狀、均勻的排列方式和有組織的遷移模式。相反，向生物電場施加100 mV/mm 逆流，則延遲傷口愈合，阻礙角質(zhì)形成細胞向傷口中心遷移。此外，這些細胞組織混亂、畸形、不規(guī)則、方向混亂[23-26]。

正極性駐極體聯(lián)用5-氟尿嘧啶可以增強對細胞分裂的抑制作用，并且進一步減緩成纖維細胞的增殖，從而抑制瘢痕增生。其作用機制可能是由于駐極體能通過促進凋亡基因的表達來增強對成纖維細胞的凋亡作用，兩者聯(lián)用對增生性瘢痕的生長抑制具有協(xié)同作用，而負極性駐極體可以通過抑制炎癥反應(yīng)改善瘢痕組織的微循環(huán)等方式，抑制瘢痕形成[27]。此外，電刺激可以改變瘢痕的厚度、硬度，深層瘢痕中的膠原沉積與電刺激強度呈正相關(guān)[28-30]。

3.4 影響血液循環(huán)

電刺激或有助于血管將白細胞和氧氣輸送至傷口，加速傷口愈合。俄亥俄州立大學(xué)科研人員發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定的電刺激可使血管通透性顯著增加，通過血管輸送的氧氣和白細胞，使活性分子和細胞在血管壁上移動，以促進愈合[31]。

駐極體也可使傷口微靜脈擴張，從而使微循環(huán)的血流速度加快，并改善毛細血管及微動脈的血流。燙傷小鼠經(jīng)駐極體作用后，其血液黏度和紅細胞壓積與對照組比較也有顯著變化。駐極體不僅可以調(diào)節(jié)血管張力，使血流加快，還可以使紅細胞聚集減少，紅細胞壓積降低，血液濃度減小，血栓形成明顯減少。研究者推測其可能機制是駐極體可以增加血管內(nèi)皮細胞和血液中有形成分的帶電量，從而減輕血管內(nèi)水腫[32-34]。

傷口修復(fù)和組織再生是一個涉及諸多信號的復(fù)雜過程。電信號存在于生物體新陳代謝的全過程，已有大量研究證明外源性電刺激可影響傷口內(nèi)源性電信號，并引起后續(xù)一系列生物信號的改變。因此，采用新技術(shù)協(xié)調(diào)生物體組織和電信號的相互作用，將對促進組織再生具有重要意義。通過醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等不同領(lǐng)域科學(xué)家的密切合作，深入研究、全面了解生物電信號與傷口組織的相互作用機制，是該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向之一。