氧微環(huán)境對(duì)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(dòng)自我修復(fù)功能。創(chuàng)面愈合作為一個(gè)復(fù)雜、持續(xù)而有序的生物學(xué)過程，可分為四個(gè)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(zhǎng)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(shí)，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(shí)成纖維細(xì)胞通過分泌和重組膠原形成堅(jiān)固的密封；一旦創(chuàng)面閉合完成，重塑過程會(huì)持續(xù)長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月甚至更長(zhǎng)[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(duì)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(gè)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(yíng)養(yǎng)不良、缺血等)密切相關(guān)[3]，尤其是對(duì)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(zhǎng)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(shí)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(shí)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(hào)。氧濃度變化(無論是低氧還是高氧)可精確激活多個(gè)信號(hào)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(gè)新興方向，由于其有效性開始受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的青睞[4-7]。

低氧微環(huán)境

一、對(duì)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?？梢姡脱蹩勺鳛榻M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(yíng)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(yùn)輸氧氣和必要的營(yíng)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(gè)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(gè)靶基因，使細(xì)胞對(duì)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?xiàng)l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(zhǎng)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(shí)，成纖維細(xì)胞的增殖大大增強(qiáng)[9]，轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1(TGF-β1)的分泌呈倍數(shù)增長(zhǎng)[4]，同時(shí)，短期低氧刺激通過特定的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)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(huì)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(bào)道顯示，間歇性缺氧通過AMPK-mTOR信號(hào)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(hào)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(shí)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(shí)顯著高表達(dá)，提示CCL2與CCR2結(jié)合來刺激細(xì)胞內(nèi)信號(hào)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(shí)，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(shí)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(shí)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(yùn)至溶酶體內(nèi)實(shí)現(xiàn)清除[18]。

此外，HIF-1除了介導(dǎo)對(duì)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(rùn)[19]；HIF-1α的功能性失活導(dǎo)致巨噬細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(huì)大大延遲其愈合。根據(jù)諸多實(shí)驗(yàn)研究及臨床經(jīng)驗(yàn)，低氧對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)證據(jù)均不足，國(guó)內(nèi)外醫(yī)務(wù)工作者目前尚未認(rèn)可該手段針對(duì)急性創(chuàng)面的必要性及有效性，在此不過多講述。

二、對(duì)慢性創(chuàng)面愈合的影響

由臨床經(jīng)驗(yàn)可知，HBOT對(duì)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(duì)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(diǎn)。事實(shí)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(shí)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(duì)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?gòu)?fù)雜的難愈性慢性創(chuàng)面的康復(fù)提供了極具參考價(jià)值的策略。同時(shí)，HBOT作為一項(xiàng)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(xiǎn)，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(dòng)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(duì)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。