放射性皮肤损伤相关机制及新型水凝胶和纳米材料潜在疗效研究的进展

王艺任，杨 蕾，周 平*

1.西南医科大学护理学院，四川 646000；2.西南医科大学附属医院

放射性皮肤损伤（radiation skin injury，RSI）是病人在接受放射治疗期间的一种常见并发症，放射治疗诱发的皮肤炎症往往会在放射治疗1～4 周内出现[1-2]。已有研究报道，超过85%的放疗病人有发生放射性皮肤损伤的经历[3]。放射性皮肤损伤轻症病人通常表现出红斑、干性脱屑和湿性脱屑等症状，重症病人则会出现皮肤溃疡、出血、坏死等症状，严重者需考虑手术治疗，增加了诱发感染的风险与病人的经济压力[4-5]。在该情况下，病人需中止放射治疗，影响肿瘤治疗疗效及进度，对病人的生理和心理健康造成极大的不良影响[6]。因此，亟须探明放射性皮肤损伤的相关病理机制，并针对相关机制开展针对性的药物研发至关重要，基于目前组织工程学的发展，相关新型材料也开始运用于皮肤损伤治疗领域且取得了较多的进展。本研究就放射性皮肤损伤的相关机制以及新型水凝胶与纳米材料的探索研究进行综述。

1 放射性皮肤损伤相关机制

1.1 皮肤纤维化

放射性皮肤损伤的病理生理反应包括干湿性脱屑、难愈性溃疡、皮肤萎缩、毛细血管通透性增加和纤维化[7-8]。辐射诱导的皮肤纤维化是一个复杂的过程，主要归因于促炎细胞因子和促纤维化细胞因子的失衡，纤维细胞衍生的肌成纤维细胞通过不断合成细胞外基质（ECM）,分泌I 型胶原蛋白和α-平滑肌肌动蛋白促进纤维化的发展[9]。细胞外基质的合成和沉积以及成纤维细胞的积累被认为是皮肤纤维化的特征[10-12]。组织损伤的修复和纤维化涉及多个分子和信号通路，如转化生长因子（TGF）-β 和Wnt/β-连环蛋白[13-14]。辐射诱导的TGF-β 在皮肤组织中以辐射剂量依赖性方式表达[15]，TGF-β 与其受体结合形成三聚体复合物，导致组织纤维化[16]。TGF-β/Smad 通路是参与皮肤纤维化的重要信号通路。活化的Smad 蛋白导致细胞核易位，激活特异性转录，并引发细胞核纤维化[17]。活化的TGF-β 通过磷酸化Smad2/Smad3 蛋白来调节纤维化靶基因，当前TGF-β 信号通路已作为治疗放射性皮肤纤维化的靶点[18]。多项研究在生物学和动物实验层面验证了通路调控放射性皮肤纤维化的重要功能[19]。

1.2 氧化应激反应

辐射诱导的皮肤损伤表现为慢性炎症状态和活性氧（ROS）合成增加。电离辐射由于使水的放射性分解促进了活性氮和活性氧的合成[20]。上述反应可诱发氧化应激反应和细胞毒性，从而引起急性或慢性皮肤损伤，因此使用抗氧化剂可以减少辐射的损害[21]。一氧化氮（NO）对皮肤功能的平衡至关重要，并已成为特定病理条件下的治疗靶点[22]。在哺乳动物中，NO是由L-精氨酸、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）以及NO 合成酶（NOS）在氧气中合成的，5,6,7,8-四氢生物蝶呤（BH4）作为NOS 的重要辅助因子[23]，而活性氧的合成可能会阻碍BH4 的作用，从而引起NOS 活性降低，最终导致人体皮肤表面的NO失调，增强了皮肤的炎症反应[24]。

1.3 簇状脱氧核糖核酸（DNA）双链断裂

电离辐射可通过与DNA 的直接作用产生ROS，H2O 电离产生的羟基自由基（-OH）可间接地损伤DNA[25]。在哺乳动物细胞中，1 Gy 剂量的X 射线会诱发数千个单链碱基损伤和单链结合蛋白（SSBs），以及约40 个双链结合蛋白（DSBs）的损伤[26-27]。

双链结合蛋白损伤是最危险的DNA 损伤之一，原因是与单链损伤不同，单链损伤有一条未受损的互补链作为修复模板；而双链结合蛋白则缺乏这样的模板。双链结合蛋白修复可以在没有模板的情况下，通过经典型非同源末端连接（cNHEJ）或选择性非同源末端连接（aNHEJ)发生。cNHEJ 一般会在修复连接处产生相对较短的缺失或插入突变，而aNHEJ 会产生较大的缺失以及染色体易位和其他大规模的染色体重排[28-32]。随着DNA 损伤的复杂性从孤立的单链病变到集群的双链病变的增加，修复效率和准确性下降，突变和细胞毒性增加从而促进放射性皮肤损伤的发展。

1.4 辐照细胞及细胞自噬

自噬是包括辐射暴露在内的各种细胞创伤中细胞存活的重要循环机制之一。自噬过程是决定受辐照细胞状况的主要因素，而辐照细胞又通过多种途径进行调节，包括线粒体膜电位改变、钙离子（Ca2+）水平升高、DNA 损伤和内质网应激[33]。由于其主要具有促生存特性，自噬通常被认为是受辐射细胞的一种保护策略[34]。自噬过程具有类似于p53 的多态性，p53 也参与细胞生存（通过促进细胞周期停滞和DNA 损伤后的DNA 修复）和细胞凋亡（通过在损伤程度过高时诱导细胞凋亡）[35]。由于自噬是决定受辐照细胞命运的一个重要因素，自噬的修饰剂可被视为潜在的放射性皮肤损伤修饰剂，可用作拮抗剂作为癌症放疗的辅助治疗[36]。

2 潜在水凝胶材料的研究

随着组织工程学的发展，制药领域也产生了巨大的进步，近年来产生的成就是通过新型材料载体负载生物或药物分子，这些载体的发展使药物在常规给药方法无法到达的人体某些部位进行释放成为可能。水凝胶负载相关药物促进创面愈合的研究已被用于实验之中。研究者们正致力于探索能够缓释药物、促进创面修复的水凝胶[37]。

2.1 透明质酸(HA)水凝胶

HA 是一种非硫酸化糖胺聚糖（GAG），是皮肤细胞外基质（ECM）的主要成分，其参与炎症反应、血管生成和组织再生过程，由于HA 的固有特性（如生物相容性、生物降解性和亲水性），已被作为一种敷料在伤口中应用[38]。不同分子量的HA（由聚合链的裂解产生）对伤口有不同的影响。高分子量（HMW）-HA 有抗炎作用，通过控制炎症细胞的招募、细胞因子的产生和干细胞的迁移发挥抗炎作用[39]。但HMW-HA 还可以抑制内皮细胞的生长以及限制营养物质的供应，不利于皮肤的再生过程[40]。此外，HMW-HA 可以与单核细胞和粒细胞表面的CD44 受体相互作用，HMW-HA-CD44 的相互作用可以影响各种控制生物过程的细胞内信号通路，如血管生成、细胞迁移、增殖和对ECM 成分的黏附，消除细胞内ROS，减少DNA损伤[41]。因此，HA 水凝胶可能为预防或治疗放射性皮肤损伤的潜在材料。

2.2 壳聚糖水凝胶

壳聚糖是一种天然的阳离子聚合物，由壳聚素脱乙酰化而来[42]，作为伤口管理的生物材料已引起人们的关注[43]。这种生物活性聚合物存在于海洋甲壳类动物、真菌和昆虫中，被认为具有生物相容性和生物可降解性[44-45]，并证实具有内在的抗菌[46]和伤口愈合特性及抗氧化功能[47]。因此，壳聚糖已被用于制备各种药物制剂且具有固体和半固体及液体形式[48]。此前已有研究发现，在皮肤局部治疗中基于脂质的给药系统与皮肤结构有潜在的相互作用[49]，同时也是溶解度较低的物质的溶解剂[50]。此外，可以通过在伤口表面涂抹或加入生物活性聚合物来加强脂质的囊泡、脂质体的抗菌潜力，以同时改善伤口愈合和抗菌性与抗氧化性[51]。由于放射治疗中所产生的皮肤损伤其中具有氧化性和产生大面积伤口的特点，因此，壳聚糖对治疗放射性皮肤损伤所产生的氧化应激反应或伤口感染等问题有巨大的价值。

3 潜在新型纳米材料的研究

3.1 银纳米颗粒(AgNPs)

银纳米颗粒已经获得了科学界的极大关注，促使人们对其物理、化学和生物特性、机制以及在医学和非医学领域的用途进行了广泛的研究、阐释。作为抗生素治疗的一种可行的替代和辅助手段，纳米颗粒适合于对抗多药耐药性细菌[52]。由于其独特的结构、浓度和与细菌细胞表面建立接触的模式，虽然迄今为止许多研究已经探索了各种潜在的作用机制，但仍有部分效用未被查明。有研究认为，由于其尺寸和形状，银纳米颗粒具有较大的表面面积与体积比，可以使纳米粒子附着在细菌等微生物的表面，增加其渗透性，并致使膜溶解[53-54]。渗透性的增加也可能使银纳米颗粒更容易穿透微生物，杀伤细胞内的生物体，包括线粒体和核糖体，并破坏生物大分子，如蛋白质和DNA[55-56]。重要的是，许多研究已经探明了银纳米颗粒的抗生物膜活性，其通过利用孔蛋白防止糖复合物的形成，并具有增强常用抗生素对革兰阳性菌和革兰阴性菌的作用。

3.2 金纳米粒子

近年来，金纳米粒子因其辐射增敏功能而被广泛用于肿瘤放射治疗领域[57]。研究发现，由于金纳米粒子的渗透性和滞留作用以及较低的全身清除率，其将优先沉积在肿瘤血管部位，对正常毛细血管和血管的渗透性较低，因此在肿瘤组织中产生高的局部电离，从而缩短治疗时间并减少辐射剂量[58-60]。因此，健康组织吸收的辐射剂量减少，减少ROS 和DNA 损伤的产生，可以有效减少皮肤纤维化和各种不良反应的发生。而且由于其表面积与体积比高，允许药物和其他治疗剂附着在其表面，可用于肿瘤的靶向和联合治疗[57,59,61]。Ponnanikajamideen 等[62]发现，金纳米粒子对自由基的抑制作用可以有效地促进糖尿病大鼠的伤口愈合，所以金纳米也是应用于治疗放射性皮肤损伤的潜在材料。

3.3 过氧化锌纳米粒子

有研究通过共沉淀法设计并合成过氧化锌纳米颗粒。这种纳米粒子是一种具有抗菌性能的高效无机材料。二氧化锌纳米颗粒对从烧伤病人的伤口感染组织中分离出来的铜绿假单胞菌和曲霉菌具有良好的抗菌活性。组织病理学评价的结果证实，过氧化锌纳米颗粒可以加速体内动物模型的皮肤伤口愈合[63]。

4 小结与展望

近年来，放射性皮肤损伤的相关研究取得了许多进展，但仍需要解决以下问题：1）放射性皮肤损伤的发生机制十分复杂，涉及面广泛，需对分子与细胞结构以及信号通路等机制进行进一步探索。2）纳米材料与水凝胶材料被已被证实是一种良好的药物载体并具有辅助药物治疗的效果，但纳米材料与水凝胶和药物联合药物制备运用的相关研究较少，是一项潜在的新兴领域，如银纳米粒子具有极强的抗菌作用，但颗粒的表面结合亲和力差，而水凝胶支架被认为是一种有效的药物输送载体。为了使水凝胶支持伤口愈合，应保持平衡的水分、氧气和化学交换[64]。水凝胶的交联3D 结构和聚合物的亲水网络使其能够充当吸水支架，水凝胶在药物输送、组织工程和抗菌剂方面表现出优异的性能使其在医学领域引起了广泛关注[65]。尽管已经对各种水凝胶的负载功效进行了大量研究，但还不足以比较不同类型的水凝胶支架以提出最有效和最稳定的纳米粒子递送环境,因此水凝胶与纳米粒子的结合运用有待进一步研究。未来可通过纳米颗粒和水凝胶的结合，确定水凝胶的最佳降解速率并降低纳米粒子的毒性，以实现更快的伤口闭合。3）综合护理方法，针对病人进行健康宣教、心理护理、饮食护理、照射野皮肤护理，并采取及时的、个性化护理干预措施，减少放射性皮肤损伤的发生率和严重程度，以此将取得更加良好的保护效果。4）开发放射性皮肤损伤预防的相关药物，在预防阶段，应该首先关注减少辐射对DNA 的直接损伤，抑制活性氧自由基的产生，减少炎症因子的释放，以降低皮肤损伤的风险。