伤口生物膜研究的可视化分析

林慧慧,陈丽娟,2*,申嘉丽,江鸿展

1.福建中医药大学护理学院,福建350122;2.厦门大学附属中山医院

伤口是指因物理、化学物质及生理异常(如局部血供障碍)等各种因素破坏皮肤(活组织),并伴有一定的皮肤正常功能受损和正常组织丢失。在英国,有伤口病人达到380万例,约占成年人的7%;后期用于伤口护理的费用达到83亿英镑,比5年前增加了48%[1]。而我国因车祸等各种原因导致的创伤伤口达6 200万例次/年[2]。影响愈合的因素有伤口局部温度、湿度、压力等,其中生物膜(biofilm)是重要的因素,生物膜指一些具有遗传多样性的复杂的微生物结构,它们通常附着在某些物体表面,或是埋在细胞外基质(ECM)中[3]。生物膜能促进细菌感染而导致炎症、成纤维细胞功能受损、血管生成减少、周围组织的侧支损伤及延迟愈合。若因生物膜处理不当使伤口感染持续存在,则会导致截肢和其他并发症,如败血症、多器官衰竭,甚至死亡[4]。因此,越来越多研究者关注伤口生物膜,但目前对伤口生物膜相关的可视化分析较少,因此,本研究基于Web of Science(WoS)核心集数据库对伤口生物膜进行计量学分析,对相关文献的年度发文量、发文作者、发文期刊、发文国家及机构、关键词共现、文献共被引以及研究前沿进行分析,直观地展示其研究现况、知识基础、研究热点和发展趋势,为伤口生物膜的诊断、治疗、护理和预防等提供理论支撑。

1 资料与方法

1.1 数据来源

本研究数据来源于美国科技信息所推出的WoS。文献数据的检索、下载与导出时间均为2022年4月10日,检索式为:(TS=(biofilm*)) AND TS=("wound*" OR "diabetic foot" OR "diabetic feet" OR "foot ulcer*" OR "leg ulcer*" OR "VLU" OR "feet ulcer*" OR "ALU" OR "pressure ulcer*" OR "pressure injury" OR "PI")。文献类型设定为“article”,语言选择为“English”,时间跨度为2003年1月1日—2022年4月10日。纳入标准:1)与伤口生物膜相关的文献;2)文献类型为article;3)语种为英文。文献的排除标准:1)重复发表的文献;2)会议论文。最终共纳入2 050篇文献。

1.2 数据处理

将WoS数据库中获得的论文年度分布、被引次数等信息导出为Excel文档进行整理分析;此外,按每次500条,分5次导出文献全部信息(full record and cited references),按照“download_1-500”的格式命名与保存,以便进一步分析。

1.3 统计学方法

使用CiteSpace 5.8.R3、VOSviewer 1.6.18及Excel进行数据分析。分析发文作者、期刊、国家及机构时,运用VOSviewer结合Excel进行统计及可视化;进行关键词及文献共被引的CiteSpace可视化分析时,时间切片均选择为1年,网络裁剪选择Pathfinder、Pruning the sliced networks及Pruning the merged network。使用关键词及对数似然比(LLR)算法进行聚类标签,其他均设置为默认值。

2 结果

2.1 年度发文量

根据WoS数据库中的引文分析报告可知,2003年1月1日—2022年4月10日发文量为2 050篇,平均每年103篇,被引频次共计49 125次,平均每年引用次数为2 456次,伤口生物膜研究的发文量见图1。2003—2021年伤口生物膜研究的发文量总体呈上升趋势,在2003—2006年发文量增长缓慢,在2006年之后,发文量增长速度加快。

图1 伤口生物膜研究的发文量趋势

2.2 作者

表1 伤口生物膜研究综合指数排名居前10位的核心作者

图2 伤口生物膜研究的作者合作网络图谱

2.3 发文期刊

对文献所属期刊进行统计,发现近20年来该领域的论文共发表在575种刊物上,主要涉及生物医学领域,发文量居前10位的期刊见表2。其中发文量≥50篇的期刊有4种,分别为:JournalofWoundCare,InternationalWoundJournal,WoundRepairandRegeneration,PLoSOne,发文量依次为100篇、69篇、59篇及57篇。发文量居前10位期刊的影响因子为1.441～10.383分,有2种综合性期刊,有2种工程技术类期刊,说明伤口生物膜领域与其他领域有学科交叉,而学科的交叉融合能够推动知识发展与技术创新,更易发生知识突破,从而使学科得到质的飞跃[7]。

表2 伤口生物膜研究载文量居前10位的期刊

2.4 发文国家/地区及机构

本研究对91个国家、2 634个机构的发文量进行了分析。首先,通过VOSviewer对发文量≥63篇的国家/地区进行筛选,结果见表3。发文量居前3位的国家分别为美国(679篇)、中国(259篇)及英格兰(178篇),其中美国的发文量最多,占该领域总发文量的33.12%;中国的发文量排名第2位,但篇均被引频次只有19.69次,说明文章的质量及影响力有待提高。总被引次数最多的国家为美国,获得了22 514次的引用,篇均被引频次达33.16次;而篇均被引次数最多的为威尔士,63篇文献获得了2 415次引用,篇均被引次数达到38.33次。

应用VOSviewer将发文量>10篇的机构进行可视化,见图3。发文量≥20篇的10所机构见表4。高生产力的机构主要集中在美国,可见美国的科研实力雄厚。但发文量最多的机构为丹麦的哥本哈根大学,共发表40篇论文,获得了2 207次引用,篇均被引次数达到55.18次;发文量第2位～第5位的分别为美国的德州理工大学(39篇)、蒙大拿州立大学(35篇)、佛罗里达大学(34篇)及中国的中国科学院(31篇)。美国蒙大拿州立大学为篇均被引次数最多的机构,35篇文献获得了2 665次引用,篇均被引次数达到了76.14次。

表4 伤口生物膜研究发文量≥20篇的10所机构

图3 伤口生物膜领域机构合作网络图谱

2.5 关键词可视化

将节点类型(Node Types)选择为关键词(Keyword),对2 050篇文献进行CiteSpace的可视化分析,调整频次为≥100,可得关键词共现图谱,见图4。其中“N”代表节点,关键词的字号及圆圈越大,表明该关键词出现的频率越高,越能代表领域热点;“E”代表连线,节点之间的连线代表关键词之间的联系,连线越粗,说明在同一篇文献中出现的频率越高[8]。该领域的关键词图谱中出现了640个节点、1 224条连线。其中频次排名居前5位的关键词是生物膜(biofilm)(456次)、铜绿假单胞菌(pseudomonas aeruginosa)(336次)、感染(infection)(323次)、金黄色葡萄球菌(staphylococcus aureus)(310次)、体外培养(in vitro)(255次);中介中心性排名居前5位的关键词为抗菌药物耐药性(antimicrobial resistance)(0.19)、粘附性(adherence)(0.18)、烧伤伤口(burn wound)(0.16)、体外培养(in vitro)(0.15)、敷料(dressing)(0.15)。

图4 伤口生物膜研究的关键词共现图谱

将关键词按LLR算法进行聚类,得到24个高度重叠的聚类群,见图5。当模块值(Q值)>0.3,平均轮廓值(S值)>0.7时,聚类结构是显著且令人信服的[8]。图5的Q值=0.809,S值=0.906 2,因此该聚类图谱的聚类结构十分显著,且结果令人信服。#0～#5聚类分别为铜绿假单胞菌(pseudomonas aeruginosa)、糖尿病病人(diabetic patient)、活体兔耳模型(vivo rabbit ear model)、葡萄球菌群体(staphylococcal quorum)、色氨酸末端标记(tryptophan end-tagging)、慢性绿脓杆菌生物膜感染(chronic pseudomonas aeruginosa biofilm infection)。

图5 伤口生物膜研究的关键词聚类图谱

2.6 文献共被引

被引量排名居前10位的文献见表5。对文献共被引进行聚类得到图6。网络节点数量为1 057个,连线2 177条,共得到25个聚类;Q值=0.894 7,S值=0.933 2,说明该图划分的结构是显著的。#0～#5聚类分别为活体猪模型(vivo porcine model)、二氧化钌(ruthenium dioxide)、伤口卫生(wound hygiene)、脱乙酰壳多糖水凝胶(in-chitosan hydrogel)、优先效应(priority effect)、人类疗法(human therapy)。

表5 伤口生物膜领域被引量排名居前10位的文献

图6 伤口生物膜研究的文献共被引聚类图谱

2.7 关键词突现

伤口生物膜研究的突现图见图7(其中红色线段对应术语发生突现的持续时间;蓝色线段为研究期间不发生突现的时间)。2009年以后,越来越多人关注到伤口生物膜,且研究热点集中在抗菌机制及效能,生物膜的结构、种类及诊断,生物膜引起伤口难以愈合的相关病理及生理研究。2020年以来,热点术语为活性氧物种(reactive oxygen species)、愈合过程(healing process)、一氧化氮(nitric oxide)、临床应用(clinical application)、愈合伤口(to-heal wounds)、慢性伤口愈合(chronic wound healing)。

图7 伤口生物膜研究的突现图

3 讨论

3.1 发文趋势

应用Excel计算伤口生物膜领域的发文趋势并进行指数拟合可得到公式Y=2E-184e0.2122x,R2=0.799。根据托马斯库恩的科学范式理论与文献逻辑增长曲线,某一科学领域的文献增长是从指数增长逐渐转变为逻辑曲线增长,目前该领域符合指数增长的趋势,说明仍处于初步发展阶段,需要更多理论应用相关的研究。出版文献数量于2021年达到最高峰,为328篇,说明有关的研究一直备受专家学者的关注。通过分析可知,伤口生物膜研究目前备受关注,具有较好的研究前景。

3.2 伤口生物膜的主要研究领域

关键词凝炼了一篇论文的核心与精髓,通过关键词共现分析可以发现某科学领域的研究热点。而聚类图谱侧重于体现聚类间的结构特征,突出关键节点及重要连接[8]。二者结合能分析出有关伤口生物膜的主要研究领域。关键词共现结果显示目前伤口生物膜的研究主要聚焦于生物膜的种类(如铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌)、特性(耐药性、黏附性)等基础研究及对抗生物膜的方法。这也与关键词聚类结果相对应,其中#0聚类为铜绿假单胞菌,其是从伤口中分离出来的最常见的细菌之一,通常存在于伤口深处[9]。#2聚类说明伤口生物膜的研究目前聚焦于在体外模型和动物模型中进行的体内实验。大部分聚类与研发及应用各种对抗生物膜的方法及新型敷料有关,例如#6聚类为磺胺嘧啶纳米颗粒制剂(sulfadiazine-loaded nanoparticle formulation)、#7聚类为过氧化物增强的非热等离子体(peroxide-enhanced nonthermal plasma)、#8聚类为山茶状单结构域抗体(camelid single-domain antibodies)、#13聚类为血管手术(vascular surgery)等,而#1聚类则说明糖尿病足病人为产生伤口生物膜最主要的对象。但由于生物膜的某些特性仅在体外而无法在临床观察到,所以在将离体实验结果转化至临床病人时应谨慎[10]。综上所述,伤口生物膜的主要研究领域为以糖尿病足为主的生物膜的种类、特性及对抗生物膜的方法与敷料。

3.3 伤口生物膜的研究前沿

突现术语分析可用于探测学科的发展前沿和趋势,通过对突现术语的分析,表明在延续前期内容和方向的基础上,伤口生物膜的治疗方法不断得以研究开发,并且进行临床应用。预测在今后的一段时间内,伤口生物膜的基础理论研究、诊疗方法及管理策略研究的热度不会减少,尤其是对抗伤口生物膜的新型敷料、药物及物理疗法的探索将持续升温。而分析关键文献能够了解研究前沿的本质,主要概括为以下4个方面:1)细菌生物膜在急慢性伤口中的分布情况及其种类。如伤口生物膜领域被引量排名前10位的文献中,文献[11]、[12]、[13]与[14]都表明生物膜主要存在于慢性伤口中,很少出现在急性伤口中。虽然慢性伤口的微生物群落是多微生物和异质性的,金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌仍然是存在于伤口生物膜中最普遍的细菌,且铜绿假单胞菌在伤口床中的位置明显低于金黄色葡萄球菌。2)生物膜相关的诊断与治疗现状。在临床样本中,嵌入生物膜中的细菌难以回收和培养,活检培养不会发现细菌生物膜的存在,如果取样不合格,会导致假阴性结果,因此,伤口生物膜的诊断具有一定的难度。文献[15]是一项指南,其表明暂无伤口生物膜的诊断标准,且尚未有针对伤口生物膜的有效治疗策略。3)生物膜导致伤口难以愈合的机制。文献[16]表明金黄色葡萄球菌生物膜能够使人体避开体内传统的抗菌途径,将巨噬细胞反应从杀菌M1表型重新编程为M2表型,使得伤口长期处于慢性炎症状态而无法愈合。4)根据不同材料的抗菌特性和机制,研究治疗伤口生物膜的机制与方法。文献[17]探索了细菌在具有纳米结构表面材料上的功能,发现纳米结构氧化锌(ZnO)和二氧化钛(TiO2)可以减少表皮链球菌的黏附,并增加骨细胞功能。文献[18]进行了更深入的创新,将过氧化氢(H2O2)转化为抗菌性能更高的-OH,开发了碳纳米材料石墨烯量子点(GQDs)创可贴,并减弱了H2O2在伤口中的毒性;文献[19]提出了一种基于-OH的增强光热疗法(PTT)的抗菌机制,开发出聚乙二醇功能化的二硫化钼纳米氧化物(PEG-MoS2NFs)的生物相容性抗菌体系,即H2O2、PEG-MoS2NFs及808 nm的PTT共同作用于伤口,加速愈合。而文献[20]阐述了非热等离子体(NTP)治疗感染伤口的机制及现状。

3.4 伤口生物膜的知识基础

分析文献共被引聚类标签、聚类内的引文及施引文献,能够得到相关领域的知识基础,可将其大致分为以下3个方面:1)探究伤口生物膜的结构、特点及其对伤口愈合的影响。#4聚类从生态学的角度研究从糖尿病足溃疡伤口中获取的金黄色葡萄球菌、弗氏柠檬酸杆菌和白色念珠菌菌株组成的三元群落中整体生物膜群落结构的优先效应(priority effect)和竞争性排斥[21];#7聚类也比较了来自下肢静脉溃疡伤口中不同细菌物种间的相互作用,#6、#8、#11、#21、#23和#24聚类则从细菌多样性的角度阐述了生物膜的性质。2)伤口生物膜的检测与诊断方法。#0、#2和#19聚类主要探讨快速检测和评估伤口生物膜的新方法,当前诊断标准、生物膜的临床指标、治疗策略、机械清创、局部抗微生物药物和抗生素对于伤口床及预防生物膜重新形成的效果。3)去除伤口生物膜的药物、敷料及方法的研究。#5聚类探究了局部使用抗生素,如氨苄西林对生物膜的影响[22];#10聚类则探讨全身性抗生素对伤口愈合的效果。#1和#3聚类从具有抗菌作用的分子及材料入手,开发了新型敷料,例如含有阳离子壳聚糖包覆的二氧化钌纳米酶,或脱乙酰壳多糖水凝胶的敷料。#17和#20聚类则着重于物理疗法(空气等离子体)及生物疗法(药用蛆)对伤口生物膜的治疗效果。

4 小结

本研究应用VOSviewer、CiteSpace及Excel对伤口生物膜近20年来的研究进行可视化分析,发现伤口生物膜相关研究的主力在美国,且国家间缺乏交流合作。伤口生物膜相关研究的热点主要集中在伤口生物膜的结构、种类、特性及诊断,对抗生物膜的新型敷料、药物等治疗方法的探索。同时也分析了伤口生物膜的研究前沿与趋势,为伤口生物膜的发展拓宽了视角,但仍需在现有基础上增加伤口生物膜的研究思路、方法及设计的应用。本研究得到以下3点启示:1)各国应加大科研投入,加强不同国家、研究机构及学者间的交流合作;2)对于伤口生物膜的临床管理如预防、诊疗策略、护理管理等方面及其社会学评价方面的研究有所欠缺,尤其要重视对于病人的身心护理;3)重视个性化诊疗,根据不同病种、不同种类的生物膜选择不同的治疗方法。