铁在皮肤慢性创面愈合中的作用及应用研究进展

张广，王一兵，3

1 山东大学齐鲁医学院，济南 250012；2 山东省千佛山医院整形外科；3 济南市组织工程皮肤再生与创面修复临床医学研究中心

皮肤创面愈合是指由于损伤因素的作用造成组织缺损后，局部组织通过再生、修复和重建，使得缺损组织重新恢复完整性的过程。从本质上讲，它是身体对各种有害因素造成组织损伤后的一种固有的适应性防御反应。创面愈合可以分为四个连续的阶段：凝血期、炎症期、修复期和重塑期。凝血期是创面形成后机体最先出现的止血反应；炎症期是免疫细胞对各种损伤因素做出的免疫防御反应；修复期又称为增生期，上皮再生及肉芽组织形成是这个时间的主要特点；重塑期以表皮的增厚以及胶原蛋白的重新排列为主要表现。角质形成细胞、成纤维细胞、巨噬细胞等在创面愈合的过程中发挥着重要的作用［1］。有很多因素会影响创面愈合，常见的有年龄、营养、心理状态等全身因素，也有异物、感染、血供、压力等局部因素［2］。一旦创面受到各种因素的影响不能通过正常的进程达到创面愈合，就可能转变为慢性创面。压力性创面、糖尿病溃疡、慢性静脉溃疡是临床上常见的慢性创面，难愈合、进展快、易复发使这类疾病成为临床工作中亟待解决的难题。铁参与细胞活动的多个重要生理过程，包括血红蛋白合成、DNA 合成、氧气转运、线粒体呼吸、能量代谢和免疫防御等，因此它对于维持机体正常生理活动是必不可少的。慢性创面中普遍存在铁水平异常，因此，明确铁在皮肤慢性创面愈合中的作用并设法维持铁的正常水平为皮肤慢性创面相关疾病的治疗提供了新的思路。现将铁在皮肤慢性创面愈合中的作用及应用研究进展综述如下。

1 皮肤中铁的来源、代谢、调控

1.1 皮肤中铁的来源及代谢 食物是人体中铁元素的主要来源。食物中的铁绝大部分是Fe3+，其特点是不易被吸收，必须被还原为Fe2+时才会被小肠黏膜上皮细胞主动吸收，这个过程是由小肠黏膜上皮细胞的二价金属离子转运体（DMT1）介导的。铁吸收入小肠黏膜上皮细胞后，主要以Fe2+和Fe3+的形式存在并处于氧化还原的动态平衡中。当组织需要铁时，铁通过运铁素1（FPN1）从小肠黏膜上皮细胞释放，Fe2+被氧化为Fe3+后与转铁蛋白（Tf）结合，被转运到人体的各个组织中。Tf与细胞膜上的转铁蛋白受体（TfR1）结合，介导细胞的内吞作用，进入细胞后Fe3+从Tf上释放下来并被还原为Fe2+进入不稳定铁池或者与铁蛋白结合储存起来［3］。现有的研究［4］表明，皮肤中的铁水平不是一成不变的，会随着衰老的过程而增加。铁在表皮中积聚，其浓度由外层向内层增加，在表皮基底层最高，可达到（7.33 ±0.98）µmol/g［5］。铁可以通过尿液、粪便、汗液、脱屑等方式从人体中排出，其中因脱屑而损失的铁占每日铁损失的20%～25%。脱屑是皮肤老化的角质形成细胞的脱落过程，目前关于脱屑机制的理论中，最为认可的是水解蛋白酶的消化作用使角质形成细胞之间的桥粒溶解从而导致角质形成细胞的脱落［6］。目前关于皮肤中铁的生理过程的研究有限，需进一步挖掘。此外，由于技术水平的限制，对于铁的定量目前局限于总铁含量，不同价态的铁的精确定量方法有待于开发。

1.2 细胞内铁水平的调控 为了使铁浓度保持在最佳的生理范围内，细胞水平和整个系统水平的铁代谢受到严格的调节。铁稳态的平衡取决于机体内多种铁相关蛋白的表达水平和活性。其中，Tf、铁调节蛋白（IRPs）和铁储存蛋白至关重要。在正常生理条件下，游离铁要么被利用作为合成血红蛋白的底物，要么与胞质铁蛋白结合储存起来。当细胞缺铁时，通过Tf 与TfR1 的结合介导内吞，通过DMT1 介导进入胞质。当细胞内游离铁过多时，FPN1 介导细胞内过量的铁向细胞外转移。在细胞内，DMT1、TfR1、铁蛋白和FPN1 的表达水平受IRPs与铁反应元件（IRE）来调控，以达到适合细胞的铁水平［7］。

2 铁在皮肤慢性创面愈合中的作用

2.1 铁缺乏对皮肤慢性创面愈合的影响 铁缺乏会导致血红蛋白和红细胞的生成障碍，严重的铁缺乏在临床上会导致缺铁性贫血。从铁缺乏发展到缺铁性贫血需要漫长的过程，初期并没有临床症状，以血清铁和血清铁蛋白浓度下降为特征，此为储存铁减少期；随后到达红细胞生成铁缺乏期，此期Tf 浓度降低并且游离原卟啉浓度升高，但是血红蛋白处于正常水平；最后才会发展成有临床症状的缺铁性贫血期，此期内血红蛋白浓度低于正常值［8］。血红蛋白的主要功能是运输氧气，因此缺铁性贫血会导致组织缺氧。皮肤慢性创面愈合是一个复杂的过程，此过程的正常进行依赖于氧气的存在。因此，缺铁性贫血导致的缺氧会对皮肤慢性创面愈合造成不利的影响。动物实验［9］表明，与正常饲料喂养的大鼠相比，贫血大鼠的伤口愈合速度较慢，伤口断裂强度较低。在贫血和血容量对皮肤慢性创面愈合的影响的研究［10］中发现，用右旋糖酐铁替代血容量可以恢复伤口的正常愈合；其次，铁可以维持胶原蛋白分子的稳定性，它是胶原蛋白合成和前胶原蛋白的翻译后修饰所必需的。缺铁对胶原合成有有害影响，胶原作为细胞生长的依附物，合成受阻会影响皮肤慢性创面的愈合［11］。而对糖尿病足的研究［12］进一步证明，缺铁性贫血导致的组织缺氧可以使成纤维细胞停止分裂，胶原停止产生，新生血管不再生长，直接影响伤口愈合；同时，缺氧抑制白细胞的杀菌功能，导致局部厌氧菌的大量生长引起的伤口感染，使皮肤慢性创面更加难以愈合。此外，乳铁蛋白作为一种由腺上皮细胞分泌的铁结合性糖蛋白，可以通过促进炎症发展及细胞的增殖和迁移来促进皮肤慢性创面愈合［13］。以上研究说明铁缺乏会影响皮肤慢性创面愈合，我们可以通过补充铁来消除缺铁带来的不利影响。另一方面，缺氧诱导因子-1（HIF-1）被证实有助于皮肤慢性创面愈合，而因缺铁而导致的缺氧会诱导HIF-1 的表达。研究［14］表明，HIF-1 可以促进细胞迁移、缺氧条件下的细胞生存和生长因子释放，因而可以促进皮肤慢性创面愈合。这可以看做是缺氧对皮肤慢性创面愈合造成的不利影响的一种自我调节，但不足以抵消缺氧的不利影响。而另有研究［15］表明，糖尿病足溃疡中，HIF-1α 的活性受到高糖诱导和活性氧介导的辅活化子p300 的修饰的而降低，导致新生血管减少，反而成为糖尿病足溃疡迁延不愈的重要原因之一。综上所述，缺铁性贫血不利于皮肤慢性创面愈合。

2.2 铁过载对皮肤慢性创面愈合的影响 铁过载在临床皮肤慢性创面中比较常见，例如慢性静脉溃疡、糖尿病溃疡等。当局部环境中的游离铁过多时，它会通过诱导氧化应激来破坏氧化还原稳态，进而影响创面愈合的各个阶段。多种细胞在皮肤慢性创面愈合的过程中发挥着重要的作用，其中，巨噬细胞和成纤维细胞容易受到局部微环境中铁浓度的影响，产生一系列病理性变化，影响皮肤慢性创面愈合。

2.2.1 铁过载对巨噬细胞的影响 巨噬细胞由血液循环中的单核细胞分化而来，它可以分为多种类型，其中M1 型和M2 型巨噬细胞在创面愈合的过程中发挥重要作用。M1 型巨噬细胞具有很强的微生物杀伤能力，其特点是可以分泌高水平的炎性因子TNF-α、IL-1、IL-6 和IL-23，在创面愈合的早期占据主导地位。相比之下，M2型巨噬细胞抑制促炎细胞因子，并分泌细胞外基质成分，促进纤维化，在组织修复的晚期发挥着重要作用［16］。在正常的皮肤创面愈合过程中，M1 型巨噬细胞会逐渐向M2 型巨噬细胞转换，由于在皮肤慢性创面中存在铁过载现象，这种转换难以进行。过量的铁通过芬顿反应诱导产生的ROS 以及持续存在的M1 型巨噬细胞分泌的促炎性细胞因子使得创面处于高氧化应激及炎症状态。这种状态下，正常愈合过程难以进行，导致皮肤慢性创面不愈合［17］。如在对下肢静脉性溃疡的研究［18］中发现，其伤口液中的铁含量以及铁蛋白含量水平均明显升高，同时M1 型巨噬细胞数目及其产生的炎性因子的量也显著增多。通过对比糖尿病溃疡区与糖尿病溃疡过渡区组织中的巨噬细胞也发现，溃疡组织中的M2/M1 型巨噬细胞的比值降低［19］。相反地，巨噬细胞也可以调节铁水平。研究［20］表明，巨噬细胞可以通过核因子E2 相关因子2（Nrf2）上调血红素氧合酶1（HO-1）的表达，HO-1通过促进血红素降解为游离铁对铁水平进行调节，在此过程中释放的CO 通过下调细胞间黏附分子1（ICAM-1）抑制炎症反应，同时促进创面血管生成和肉芽组织形成［21］。然而在慢性创面中，HO-1 介导的这种保护性反应受到影响，巨噬细胞也难以维持其正常功能。综上所述，铁过载导致巨噬细胞难以从M1 型向M2 型转变是阻碍慢性皮肤创面愈合的关键。

2.2.2 铁过载对成纤维细胞的影响 成纤维细胞的主要功能是合成细胞外基质和胶原，对于组织的重塑发挥着关键的作用。研究［22］表明，皮肤慢性创面其中一个重要的表现是创面中持续存在的衰老的成纤维细胞，铁过载造成的氧化应激是成纤维细胞衰老的主要诱因。除了合成细胞外基质的功能受损之外，慢性创面中衰老的成纤维细胞还会分泌一些介质，例如基质金属蛋白酶。基质金属蛋白酶是一种蛋白水解酶，能够水解细胞外基质，尤其是构成真皮结构的胶原纤维和弹力纤维，影响皮肤慢性创面愈合的重塑阶段，导致皮肤慢性创面难愈合［23］。此外，也有研究［24］报道，衰老成纤维细胞中存在铁过载，这可能与溶酶体功能的破坏、铁储存蛋白的增加以及铁死亡的敏感性降低有关。衰老成纤维细胞的持续存在阻碍了皮肤慢性创面愈合的正常进展，这就导致了皮肤慢性创面不愈合。

3 铁在皮肤慢性创面治疗中的应用

皮肤慢性创面中普遍存在铁水平异常，维持铁水平的正常是治疗这类疾病的关键。对于铁缺乏，目前临床上最常用的方法是口服铁剂，如口服乳酸亚铁口服液、富马酸亚铁胶囊等药物，此外，也可以通过静脉注射铁剂的方法补充铁，如右旋糖酐铁注射液。对于铁过载，临床上采用铁螯合剂去除多余的铁，目前应用最广泛的铁螯合剂是去铁胺（DFO），它是美国食品药品管理局批准的一种小分子铁螯合剂。研究［25］表明，注射到小鼠体内的DFO 可以消除由于铁过载导致的伤口延迟愈合的不利影响。局部使用DFO 可以有效抑制ROS 的产生，这表明它具有抗氧化作用。其次，它可以使M1 型巨噬细胞向M2型巨噬细胞转变，减少创面中衰老的成纤维细胞，使创面愈合进程正常进行。另外，DFO 能够上调HIF-1α 和其他的下游血管生成因子，刺激新生毛细血管的再生［26］。例如，局部给药DFO 可以促进糖尿病足溃疡愈合，这与其可以降低铁依赖的ROS 水平以及增加HIF-1α、VEGF 的表达水平的特性相关［19］。目前，DFO 相关敷料已经广泛用于临床治疗皮肤慢性创面相关疾病并取得良好的疗效。除了DFO，环吡酮胺作为一种抗真菌药被发现具有铁螯合作用，这为治疗真菌感染的皮肤慢性创面带来了希望。随着科学技术的发展，许多新型铁螯合剂相关纳米材料应运而生，有文献报道了海藻酸钠去铁胺水凝胶敷料能够促进糖尿病创面愈合和血管生成［27］。此外，含DFO 的生物活性可注射水凝胶也被用来促进皮肤慢性创面愈合［28］。通过偶联不同的物质赋予敷料不同的特性，发挥多种功能，从多个方面促进创面愈合。多功能、低毒性、良好的生物相容性、可降解是这类新型材料的优势，将逐步用于皮肤慢性创面的治疗。

综上所述，铁对皮肤慢性创面愈合的影响是复杂的。铁缺乏通过缺氧来影响慢性创面愈合；铁过载会诱导氧化应激，导致M1 型巨噬细胞难以向M2 型巨噬细胞转变以及使衰老的成纤维细胞持续存在，进而影响慢性创面愈合。这只是其中一个重要的环节，铁对皮肤慢性创面愈合的影响及相关作用机制还需要深入研究。此外，铁水平异常是影响下肢静脉性溃疡以及糖尿病溃疡等皮肤慢性创面愈合的一个重要因素，改善局部环境中的铁水平异常是治疗这类疾病的关键。因此，铁作为一种潜在的治疗靶点，铁缺乏可以补充铁，铁过载通过局部应用铁螯合剂和其他新型药物，促进慢性创面愈合。铁螯合剂由于其可以螯合铁离子在治疗慢性创面上得到广泛的应用，同时，新型铁螯合剂相关材料的研发越来越火热，功能更全面、生物相容性更好、毒性更低的纳米铁螯合剂材料具有广阔的发展前景。维持皮肤慢性创面环境铁稳态以及保证皮肤慢性创面愈合进程的时序性将是未来研究的方向。