氧微环境对急慢性创面愈合影响的研究进展

周璇 金琳博 张一鸣

当致伤因素使皮肤甚至深层组织的完整性遭到破坏，机体随即启动自我修复功能。创面愈合作为一个复杂、持续而有序的生物学过程，可分为四个存在交叠的环节：止血，炎症，增殖及组织重塑[1]。愈合的过程依靠多种细胞、生长因子及炎性介质的参与。止血期为初始阶段，血管收缩和血凝块形成可防止受损部位进一步失血。随后进入第二阶段炎症期，此时，中性粒细胞和巨噬细胞被招募来清除受损部位的碎片及外来微生物以防止感染。随后是增殖期，成纤维细胞、内皮细胞和角质形成细胞等细胞生成新鲜肉芽组织和上皮组织。最后阶段为组织重塑期，此时成纤维细胞通过分泌和重组胶原形成坚固的密封；一旦创面闭合完成，重塑过程会持续长达几个月甚至更长[1]，大量胶原基质沉积在伤口中，富含成纤维细胞的肉芽组织逐渐被相对无细胞的瘢痕所取代。正常情况下，健康病人的急性创面可在2～3周内自然封闭，随后进入重塑阶段，然而，当以上任何一个环节遭到干扰或破坏，都可能导致创面经久不愈，转变为慢性创面。

延迟创面愈合的不良因素可分为外源性和内源性因素。常见的外源性因素包括感染、机械压力、护理不当等[2]，而内源性因素则与病人自身的免疫或代谢紊乱(如高血糖、高氧化应激状态、营养不良、缺血等)密切相关[3]，尤其是对于糖尿病病人，慢性高糖引起微血管病变及红细胞携-释氧能力下降，微环境长期低氧使内皮细胞、成纤维细胞和角质形成细胞等功能障碍，同时伴有持续的炎性反应，即使未继发感染，也难以正常、及时地完成创面修复过程。

氧是有机体完成各类生理生化过程必不可少的无机小分子，是一种重要的细胞信号。氧浓度变化(无论是低氧还是高氧)可精确激活多个信号通路以调节细胞功能[4]，在组织损伤和创面愈合过程中发挥着重要作用。近年来，通过调控局部或全身氧微环境来促进创面修复再生作为一个新兴方向，由于其有效性开始受到国内外学者的青睐[4-7]。

低氧微环境

一、对急性创面愈合的影响

在急性创面形成之初，因损伤引起局部血管破坏、细胞耗氧增高，创周微环境处于低氧甚至缺氧。但即使在早期氧张力不足的环境中，内皮细胞和成纤维细胞仍然在继续迁移、合成蛋白质和增殖，随着新生肉芽组织形成取代受损组织，氧浓度也因血管重建逐步恢复正常。可见，低氧可作为组织修复及血管生成的早期刺激因素来促进急性创面愈合，这与临床中呈现的短期应用半透性敷料所营造的低氧环境可以加速创面修复的这一结果相一致。

二、促进急性创面愈合的机制

1、促进肉芽组织的生成：新生肉芽组织可填补真皮或皮下组织损伤后的缺损，为表皮细胞的覆盖提供条件。肉芽组织富含毛细血管和成纤维细胞，其中毛细血管可为局部细胞运输氧气和必要的营养，而增殖活跃的成纤维细胞可分泌多种促进修复的细胞因子，亦可合成胶原构成细胞外基质成分。

关于短期低氧促进创面愈合的机制，既往研究多集中于低氧诱导因子-1(HIF-1)，它是一个可表达于人体几乎所有类型细胞的专一调节氧稳态的核转录因子，具有高度特异性。HIF-1由HIF-1α和HIF-1β亚基组成，HIF-1β持续表达于细胞核内，当氧浓度降低，HIF-1α表达水平急剧增加[8]，进入胞核与HIF-1β结合，组成异源二聚体HIF-1，通过调控多个靶基因，使细胞对微环境中的氧浓度改变作出应答，其中涉及的主要生理过程包括炎症反应、血管生成和糖酵解。

无论是在生理还是病理条件下，HIF-1α的表达升高都是刺激血管生成的主要因素。皮肤组织急性损伤后，因低氧而合成增多的HIF-1激活下游靶基因，增加血管内皮生长因子(VEGF)的分泌，VEGF通过旁分泌的方式增加内皮细胞的增殖和存活。新生血管的萌发和重建，增加了组织血流量，改善了微循环。而在HIF-1α敲除小鼠模型中，成纤维细胞HIF-1α的缺失引起VEGF分泌不足，创面新生血管数量显著减少，造成愈合创面延迟[6]。

当暴露于急性缺氧条件下时，成纤维细胞的增殖大大增强[9]，转化生长因子-β1(TGF-β1)的分泌呈倍数增长[4]，同时，短期低氧刺激通过特定的细胞内信号通路，诱导成纤维细胞向肌成纤维细胞分化，而肌成纤维细胞的收缩有助于开放伤口的收缩[7]。反之，慢性缺氧则会严重降低成纤维细胞的活性。

此外，自噬是创面愈合过程中内皮细胞的重要保护机制。低氧所诱导的内皮细胞自噬不仅能促进其抗凋亡和存活，而且是血管生成的诱导因子。有报道显示，间歇性缺氧通过AMPK-mTOR信号通路诱导自噬，降低人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的凋亡率，改善其功能[10]；使用自噬抑制剂或通过沉默Atg5表达下调自噬后，内皮细胞的迁移和成管活性被显著抑制[11]。

2、促进再上皮化：创面修复过程中，分布于创缘的角质形成细胞增殖加速，新生细胞不断地向创面中心迁移，完成再上皮化，最终达到创面的封闭。因此，表皮细胞迁移是创面再上皮化的起始事件及限速步骤[12]。有研究发现，在小鼠烧伤模型中，伤后即呈现出创缘氧分压低于正常皮肤的现象，在愈合末期逐渐接近正常[5]；在缺氧条件下，Notch1信号通路的激活诱导创面边缘整合素β1的上调，而整合素β1的高表达促进了角质形成细胞迁移[13]，显示出低氧这一微环境因素在创面再上皮化过程中起到关键调节作用。我们课题组的研究发现，低氧处理HaCaT细胞24小时后，其细胞骨架发生改变且迁移能力明显增强[14-15]，进一步基因分析的结果发现，CC趋化因子配体2(CCL2)及其受体CCR2同时显著高表达，提示CCL2与CCR2结合来刺激细胞内信号转导，在低氧诱导的表皮细胞迁移过程中发挥重要作用，加速创面封闭。

此外，有研究发现，Atg5/7敲除小鼠创面的角质形成增殖和分化率远低于野生型小鼠，表明角质形成细胞的自噬能促进其自身分化、增殖和迁移，有利于创面再上皮化的完成[16]。

3、调节炎症和免疫功能：过度炎症反应是受损组织氧代谢异常最常见的原因之一。创面的局部低氧可诱导细胞自噬[17]。非选择性自噬可负向调节炎症反应、抗氧化应激和抗凋亡，防止炎症反应异常升高而损伤自身组织，有助于细胞存活并完成创面的修复；同时，选择性的异源自噬还可直接参与抗感染免疫应答，当识别到侵入伤口的细菌、病毒等致病微生物后，通过病原模式相关分子(PAMPs)的宿主模式识别受体(PRRs)并诱导自噬发生，病原体被巨噬细胞、淋巴细胞等内吞后，转运至溶酶体内实现清除[18]。

此外，HIF-1除了介导对缺氧的适应外，也在调节炎症反应中扮演着重要角色。HIF-1可以通过控制糖酵解的代谢切换进而影响炎性细胞的浸润[19]；HIF-1α的功能性失活导致巨噬细胞的运动性、侵袭性和黏附性都大大降低;低氧上调HIF-1α，诱导一氧化氮合成酶(NOS)和病毒杀伤肽的表达，强化中性粒细胞和单核细胞吞噬致病微生物。

三、对慢性创面愈合的影响

不同于正常愈合的急性创面，慢性难愈性创面的病人自身往往存在一些健康状况，如糖尿病、免疫功能缺陷、严重感染、肥胖等，创面组织长期氧供不足，低氧应答受损，持续的病理性炎症反应使得毛细血管形成缺乏，新鲜肉芽组织生长被抑制，而表皮细胞增殖、分化乏力导致再上皮化困难，若继续降低创面氧供更会大大延迟其愈合。根据诸多实验研究及临床经验，低氧对慢性创面的愈合是不利的。

高氧微环境

局部或全身使用氧疗已有悠久的历史[20]，其中，高压氧治疗(HBOT)是最常用的改善组织氧微环境的方式。HBOT是一种基于暴露在高于绝对大气压力的纯氧中以提高组织氧化程度的方法。近年来，最初为治疗潜水病而建造的高压氧舱已被辅助性地应用于多种缺血缺氧性疾病，也包括创面的治疗。

一、对急性创面愈合的影响

将氧疗用于治疗急性创面的临床及实验证据均不足，国内外医务工作者目前尚未认可该手段针对急性创面的必要性及有效性，在此不过多讲述。

二、对慢性创面愈合的影响

由临床经验可知，HBOT对改善坏死性筋膜炎、糖尿病足溃疡、烧伤等造成的创面的预后尤其有效。也有基础实验研究表明，HBOT可通过增加内皮祖细胞数量来提高伤口的愈合率[21]；创面应用HBOT可增加生长因子的产生，尤其是VEGF，并与Nrf2转录因子增加呈正相关[20]；成纤维细胞的增殖率也与HBOT剂量呈正相关[4]。而在被辐照的兔模型中，将常压氧与高压氧治疗进行比较，高压氧组组织的血管密度增加了8～9倍，再次证明在较高压力下氧气可激发血管生成[22]。感染也是导致伤口无法如期愈合的重要原因之一，而厌氧菌在缺氧的软组织内更易存活，因此，使用HBOT作为抗菌治疗的辅助手段，其疗效明确。在慢性创面中，细菌生物膜的检出率高达78.2%[23]，HBOT不仅可以产生游离氧自由基直接破坏厌氧菌的DNA链，清除其生物膜，还可以通过增加微环境内氧含量而间接发挥抗菌效应。

调节氧微环境在创面治疗中的应用

适度的间歇性低氧对加速急性创面愈合的疗效值得肯定，但将病人直接置于低氧甚至缺氧环境中以达到全身低氧显然不可取，因此，使用伤口敷料直接构建局部缺氧环境或使用药物刺激分泌或补充相关分子来模拟低氧效果，是目前研究的着眼点。事实上，短期应用半透性敷料形成局部低氧环境来治疗急性创面已在临床上被广泛应用，同时也有促进随机皮瓣愈合的多功能水凝胶等多功能材料仍处于研发阶段[24]。

针对治疗难度更大的慢性创面，新型生物材料或药物的研发也从未停止过，如低氧诱导的可注射水凝胶、可释放治疗性铜离子的复合体系水凝胶及通过胞外囊泡载药的生物活性敷料等[25-27]，上述多元化的材料都一定程度上促进了受损组织血管新生、真皮胶原基质重建和(或)再上皮化，为加速复杂的难愈性慢性创面的康复提供了极具参考价值的策略。同时，HBOT作为一项物理治疗手段，可纠正坏死性筋膜炎、糖尿病足溃疡、烧伤等病变导致的组织慢性缺氧，降低厌氧菌的感染风险，辅助创面修复。

在创面愈合过程中，多种细胞生物学活动的增加带来氧耗需求的增加，适宜浓度及压力的氧气显得尤为重要。研究已表明，调控氧微环境无论是对急性还是慢性创面，都可发挥出正向影响。随着缺氧相关生物材料及制剂的研发越来越火热，效果更显著、功能更全面、使用更便捷的新型生物制品具有广阔的发展前景。