创伤修复机制和治疗进展

林雁鸿 周清清 李春霖 肖雨花 郭智华 万健良

1 创伤修复的基本过程

创伤修复一般分为4 个阶段：①止血阶段；②炎症反应阶段；③细胞增殖分化阶段；④组织重建、瘢痕形成阶段。它是组织在损伤发生后多种生长因子、细胞外基质和修复细胞之间相互作用而进行自我修复的复杂动态过程［1］。

1.1 止血阶段 当机体组织受损后,立即发生血小板聚集及纤维蛋白凝块形成、血管收缩等反应,参与创口止血。此时细胞外基质(ECM)从受损组织中释放,同时血小板在受损组织聚集。在血管生成的早期阶段,血小板释放多种生长因子,包括血小板衍生因子(PDGF)、血管内皮生长因子(VEGF)、转化生长因子-α(TGF-α)、碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)、血小板源性内皮细胞生长因子(PD-ECGF)和人血管生成素-1(Ang-1),这些因素刺激内皮扩散、迁移和管型形成。随后,巨噬细胞和单核细胞释放大量血管生成因子,包括PDGF、VEGF、Ang-1、TGF-α、bFGF、白细胞介素-8(IL-8)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)。受损组织基质的蛋白酶进一步释放血管生成刺激器,直接刺激血管形成,尤其是VEGF 和bFGF 活性的增强。在受伤后几小时内,伤口中的大部分嗜中性粒细胞也会通过毛细血管的内皮细胞壁迁移,导致细胞因子如白细胞介素-1b(IL-1b)、TNF-α 和干扰素-g(IFN-g)在伤口部位被激活,表达各种粘附分子,从而进一步促进伤口止血。据研究表明,组织受损后的缺氧环境导致内皮细胞释放的一氧化碳(CO)也是血管增殖的重要驱动力。在血管生成进一步稳定后,随着组织缺氧和炎症反应的恢复,伤口的生长因子水平也迅速下降,血管的生成抑制开始［2］。

1.2 炎症反应阶段 该阶段以聚集的血小板脱颗粒和纤维蛋白凝块的形成为开端。当创伤发生后,脱颗粒化的血小板可以从血液中招募骨髓源性的干细胞、白细胞(特别是中性粒细胞)和纤维细胞进入创口。在此阶段被招募而来的有核细胞中,中性粒细胞充当着“前锋”的角色,最快到达炎症部位。在创伤早期,中性粒细胞不仅能分泌多种趋化因子及炎症介质募集并激活巨噬细胞,而且具有清除坏死组织和细菌的作用。来源于骨髓祖细胞的单核吞噬细胞系统主要由单核细胞、巨噬细胞和树突细胞组成［3］。由这些细胞分泌而来的旁分泌因子和其中的巨噬细胞在再生组织中处于核心地位。而Th1 和Th2 细胞分泌不同的细胞因子则是巨噬细胞极化的依赖性因素。其中促炎型M1 巨噬细胞在Th1 细胞分泌的细胞因子如γ-干扰素(IFN-γ)和TNF-α 刺激下分化而来。而抗炎型M2 巨噬细胞在Th2 分泌的细胞因子［如白细胞介素-4(IL-4)、白细胞介素-10(IL-10)和白细胞介素-13(IL-13)］刺激下分泌而来。一般来说,M1 型巨噬细胞主要在创伤早期发挥重要作用,具有杀灭微生物的功能。而M2 型巨噬细胞主要在促进细胞增殖、胶原沉积和血管生成方面起主导作用。在创伤修复的过程中,作为M2 型巨噬细胞极化过程中的一种关键性核转录因子,cAMP 反应元件结合蛋白(cAMP response element-binding protein,CREB)的生物学效应主要表现为通过上调IL-10 和 精氨酸酶-1(Arg-1)水平,从而促进M2 型巨噬细胞的极化［4］。

在炎症过程中,M1 和M2 型巨噬细胞在不同条件下可相互转化,这种巨噬细胞随着时间的推移发生M1/M2亚型的转化首次在急性心肌梗模型中被证实。前3 d 以M1 型为主,5～7 d 后以M2 型为主,共同协助心肌梗死后的炎症修复过程［5］。因此,M2 型巨噬细胞在创伤修复中处于主导地位。

1.3 细胞增殖分化阶段 在此阶段,诱导并维持细胞增生及细胞迁移启动的生长因子通常以自分泌、旁分泌等方式分泌,其主要来源于炎症反应中迁移的上皮细胞、真皮细胞及剩余的炎细胞。血管通过侵入伤口凝块并在整个肉芽组织中组织成微血管网络,从先前存在的血管形成新的血管。这种动态过程受来自血清和周围细胞外基质环境的信号的高度调节。VEGF、Ang、bFGF 和转化生长因子-β(TGF-β)是伤口血管生成中有效的血管生成因子之一。血管内皮细胞降解基底膜、迁移至创口,增生形成细胞间接触,最后形成血管的过程是在PDGF、VEGF、成纤维细胞生长因子-2(FGF-2)的介导下完成的。与此同时,创口内成纤维细胞增生,合成细胞外基质,形成富含新生血管的肉芽组织［6］。

由上文所知,在创伤修复过程中,M1 型巨噬细胞对M2型巨噬细胞的转化,是促进细胞增殖与炎症修复的关键因素。原因是在创伤修复早期主要是M1 型巨噬细胞在起抵抗外来病原体的作用,而在后期M2 型巨噬细胞占主要地位,促进组织细胞的增殖和血管生成,从而促进伤口的修复。

1.4 组织重建、瘢痕形成阶段 瘢痕组织的重建在创伤修复后期主要来源于新形成的肉芽组织。瘢痕以胶原沉积成纤维细胞增生为主,是机体对组织损伤的反应。瘢痕形成的机制涉及炎症、纤维增生、肉芽组织的形成、瘢痕的成熟。在急性炎症反应之后,是成纤维细胞的增殖,包括胶原蛋白和纤维蛋白。主要是纤维蛋白、胶原蛋白Ⅲ、纤连蛋白被含胶原蛋白Ⅰ的细胞所取代的过程,随后肌成纤维细胞由成纤维细胞分化而来,即成纤维细胞负责胶原蛋白沉积和伤口收缩。最后成纤维细胞凋亡,形成相对无细胞的瘢痕组织。该阶段的细胞凋亡机制尚不明确,但与成人创面愈合相比,早期妊娠胎儿具有显著的创面愈合能力,愈后皮肤伤口无瘢痕［7］。所以加深对胎儿伤口愈合机制的研究,有可能找到新的治疗方案。

2 创伤修复的治疗

2.1 药物治疗 创伤修复和组织再生治疗手段的进展在很大程度上依赖皮肤免疫学的进步,如以传统的糖尿病足治疗相比,斯蒂德等在118 例患者中研究了重组人血小板源生长因子(rhPDGF)对糖尿病足部溃疡(DFU)的影响。结果表示：接受rhPDGF 长达20 周的患者伤口愈合情况较传统治疗效果更佳。在传统的治疗中,主要是应用氨酰-tRNA 合成酶抑制剂、胶原蛋白及外用广谱抗生素药膏(如甲硝唑)。由上文可知,直接通过rhPDGF 影响创伤愈合过程中炎症反应阶段M2 型巨噬细胞的DNA 复制、RNA 转录及蛋白质合成能更有效促进糖尿病足的伤口愈合。而在临床的外科治疗中主要是应用抗炎作用药物如肾上腺皮质激素类、抗微生物类抗生素或抗凝抗血小板类药物等,均能通过影响创伤修复的4 个阶段而促进伤口愈合。因此,在未来的药物治疗研究中更应该注重M2 型巨噬细胞增殖分化机制。

2.2 物理治疗

2.2.1 氧气疗法 O2对细胞的新陈代谢至关重要。在未受损的皮肤中,血氧分压(PO2)在深层的5%下降到外层的1%,当毛细血管受损和中断时,PO2会急剧下降。18%的PO2是人体角蛋白细胞在体外生长的最佳水平,受PO2变化的极大影响。细胞可以在厌氧条件和代谢期间耐受和存活,增加乳酸的浓度,使环境酸化,激活低氧诱导因子(HIF),如CO、VEGF 等,其向上调节血管扩张因子促进伤口愈合。因此,许多疗法的策略是基于增加伤口床的PO2。例如连续扩散的氧气疗法(CDO)、局部氧疗(TOT)和高压氧疗法(HBOT)［8-10］。

2.2.2 电刺激疗法 适量的电刺激能舒张机体的血管、加快血流,从而改善营养代谢和组织再生,同时还具有消炎、解痉、止痛等作用。这是由于电刺激能促进多种生长因子(如bFGF 等)的表达和分泌,加速成纤维细胞的增殖与分化及血管的生成,促进M1 型巨噬细胞向M2 型巨噬细胞转化。此外还能使细胞离子通道大量开放,从而增加细胞中的药物摄入浓度［9］。这种治疗方式与中国传统医学的针灸疗法有异曲同工之处,表明针灸在伤口愈合中也可能起着重要作用。

2.2.3 光刺激疗法 光刺激疗法主要是利用红外线光化学作用弱、产热产能少、但能加快组织内物理和化学反应的特点。由于人体吸收红外线主要集中在皮肤和皮下组织,所以红外线疗法具有增强代谢、舒张血管、加快血流速度、改善局部组织灌注及淋巴循环的特性。其结果是不仅加快吸收和消除组织中的异常产物,而且还具有镇痛、降低肌张力、抑制感觉神经兴奋性等优点。与药物治疗相比,光刺激疗法具有操作便捷、适应证及受众范围广、并发症少、无创等优点。

2.2.4 机械刺激疗法 成纤维细胞是机体ECM 重塑、伤口收缩控制和瘢痕形成过程中最重要的细胞。在愈合过程中,皮肤受到各种机械和其他刺激,如压缩、紧张、扭转、剪切应力等,这些刺激有利于α 平滑肌肌动蛋白(α-SMA)参与成纤维细胞在细胞骨架中的表达导致伤口的收缩［11-15］,因此临床中提倡术后患者尽早进行功能康复锻炼。

2.3 离子疗法 信号金属离子作为人体代谢催化剂至关重要,也是蛋白质、酶或转录因子结构元素的一部分,如钙是信号转导中非常著名的第二信使。许多细胞外信号触发细胞内级联反应,导致不同的钙通道激活,这也是心脏肌肉收缩、神经激发、细胞迁移、凋亡和增殖等过程的起源。据研究表明,钙是一种亲血管生成因子,所以在创伤愈合过程中适当补充钙离子可以更好的促进血管生成和细胞迁移［16-19］。在创伤愈合中还有其他金属离子扮演着重要作用,如银具有强大的抗菌性能。因此,在创伤愈合中如银等具有抗菌性能的金属元素有望成为一种新的抗菌药物。

2.4 组织工程疗法 皮肤伤口愈合是当今关注的主要焦点之一,特别是3D 纳米技术在生物材料中的引入,为正确模拟ECM 和细胞微环境提供了极好的工具［20-22］。据研究报道：在纳米层面上修改表面积和三维结构是可行的。纳米技术的应用如纳米胶囊、纳米粒子、纳米纤维或纳米板,这些都具有良好的信号传导功能,当然其中也涉及到许多无机材料和聚合物,如蛋白质和多糖［10］。但是目前对于皮肤的个性化的研究,3D 技术还达不到智能生物材料的要求,特别是皮肤的附属物如神经、毛囊、色素沉着等的个性化。因此,这应该是未来研究的主要方向之一。

2.5 基因工程疗法 基因工程通过DNA 重组技术将目的基因导入载体细胞,以获得大量对人体创伤修复有益的蛋白质,从而改变内皮细胞的游走、平滑肌细胞的增殖、新生血管的生成、巨噬细胞表型的转化和募集干细胞等,但其临床疗效远未达到预期值如损伤组织的完全修复、无瘢痕愈合等［11-13］。然而目前正在开发的新基因疗法通过3D 打印技术生产的仿生材料与传统基因疗法相结合,可以较大程度改善传统基因疗法的不足。

2.6 其他疗法 如酶清创疗法、细胞疗法和中医中药疗法等对创伤修复的治疗都有一定价值。

3 展望

近年来,由于细胞免疫学及皮肤药理学的快速发展,人们对创伤修复的基本理论和临床治疗方法的认识都有极大的水平的提高。但由于创伤修复的机制尚未完全阐明,特别是在对巨噬细胞表型的转化以及巨噬细胞功能调节药物的探索上,因此,这给未来的研究提供新的思路。除此之外,新基因工程疗法在无瘢痕愈合和功能恢复方面也给人们带来新的期待。在未来,关于皮肤创伤修复及愈合的机制和治疗,仍有广阔的发展前景。