生物水凝膠促進慢性創(chuàng)面皮膚再生的研究進展

張素珊 何云帆 魯峰

皮膚創(chuàng)面在正常生理條件下，將在受傷后的3個月內(nèi)，解剖學(xué)和功能上完全愈合再生。任何一個愈合階段的延遲都會變成慢性創(chuàng)面，多種分子和細胞信號通路之間的共同作用對正常傷口愈合過程至關(guān)重要。任何外在因素的影響都會導(dǎo)致愈合的異常，由于人口老齡化和肥胖、2型糖尿病和心血管疾病的增加，在組織自我修復(fù)能力失效時，創(chuàng)面護理和管理的需求隨著時間的推移而增加對慢性創(chuàng)面愈合的重視[1]。與急性創(chuàng)面相比，慢性創(chuàng)面通常停留在炎癥期，難以上皮化以及血管生成受損，導(dǎo)致創(chuàng)面反復(fù)細菌感染，難以有序愈合，阻礙組織再生和減慢愈合并形成瘢痕[2-3]，并可能危及生命。治療慢性創(chuàng)面的方法有很多，傳統(tǒng)常用的方法有清創(chuàng)、高壓氧、電磁超聲、負壓、皮片/皮瓣移植等。傳統(tǒng)方法無法綜合解決慢性創(chuàng)面復(fù)雜的臨床問題，亟需更多新型有效的促進慢性創(chuàng)面愈合的治療手段。生物水凝膠是最具發(fā)展前景的生物材料之一，具有可調(diào)節(jié)的功能特性如生物相容性和降解性、黏附性、血管化潛力，以及抗菌、抗炎和促血管生成的特性，并且其微觀結(jié)構(gòu)與天然細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)結(jié)構(gòu)非常相似，能提供濕潤的空間環(huán)境，為創(chuàng)面愈合帶來良好的微環(huán)境。

一、慢性創(chuàng)面的發(fā)生機制

在皮膚破損后，急性創(chuàng)面是一種常見的生理過程，有序地經(jīng)歷止血、炎癥、增殖和重塑4個不同的皮膚再生階段，而慢性創(chuàng)面的特征通常是長時間和異常的炎癥期。在正常創(chuàng)面愈合過程中，中性粒細胞首先到達創(chuàng)面位置，釋放活性氧(reactive oxygen species，ROS)和基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)，以防止微生物污染并清理創(chuàng)面碎片，中性粒細胞逐漸減少后，單核細胞的出現(xiàn)分化為巨噬細胞，從而繼續(xù)進行吞噬和消滅剩余的中性粒細胞。M1巨噬細胞調(diào)節(jié)促炎細胞因子，如白介素(interleukins-1，IL-1)和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNFα)，M1型巨噬細胞會轉(zhuǎn)化為M2型巨噬細胞，并招募成纖維細胞、內(nèi)皮細胞和角質(zhì)形成細胞來重建受損的血管。當慢性創(chuàng)面因潰瘍性皮膚損傷，如靜脈性腿潰瘍、動脈潰瘍、糖尿病足潰瘍和壓瘡等等延長炎癥期時[4]，微環(huán)境內(nèi)IL-1的增加與促炎細胞因子相關(guān)的細胞發(fā)生作用，抑制單核細胞分化為巨噬細胞，表現(xiàn)在M1/M2型巨噬細胞比例中的以M1促炎型巨噬細胞為主導(dǎo)[5]，并與上皮細胞、內(nèi)皮細胞、成纖維細胞和干細胞之間的通信存在異常，導(dǎo)致創(chuàng)面無法充分進行上皮化[6]；多核中性粒細胞表現(xiàn)出浸潤和跨內(nèi)皮細胞遷移、募集和趨化能力缺陷以及ROS產(chǎn)生增加，加劇了組織成分的降解，使創(chuàng)面抗菌能力降低[7]；MMPs大量產(chǎn)生與金屬蛋白酶組織抑制劑(tissue inhibitors of metalloproteinases，TIMPs)失去平衡，快速降解ECM[8]，阻礙血管生成和組織氧合，新血管的缺乏會減少氧黏和營養(yǎng)的供應(yīng)，從而阻礙創(chuàng)面愈合。由于上述炎癥環(huán)境，成纖維細胞無法對生長因子和炎癥細胞因子做出免疫反應(yīng)[9]，細胞和分子上的異常阻礙了ECM的重塑和肉芽組織的形成，抑制了慢性創(chuàng)面的愈合。

二、生物水凝膠簡介

水凝膠作為一種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的親水性材料，按照來源可分為人工合成聚合物水凝膠、天然生物聚合物水凝膠和雜化水凝膠。生物水凝膠主要分為多糖和蛋白質(zhì)，多糖有透明質(zhì)酸、藻酸、纖維素、甲殼素和殼聚糖，蛋白質(zhì)包括膠原蛋白、明膠和溶菌酶等[10]。多糖和蛋白質(zhì)是最主要的天然聚合物之一，具有生物相容性，易于從自然資源中提取。多糖具有豐富的官能團，如羥基、羧基、胺基等，具有廣泛的化學(xué)修飾作用，并具有較高的保水性。水凝膠的致密網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)能防止細菌到達創(chuàng)面，也能高效運載生物活性分子到達創(chuàng)面，良好的生物黏附性能發(fā)揮抗菌、清創(chuàng)以及促進組織再生的作用。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在水介質(zhì)中能廣泛膨脹有利于吸收創(chuàng)面滲出液 ，促進成纖維細胞增殖和角質(zhì)形成細胞遷移，這是創(chuàng)面再上皮化的關(guān)鍵。在結(jié)構(gòu)和組成與ECM相似，含水量高達70%～90%，能促進細胞黏附、增殖和組織修復(fù)再生，水凝膠比許多合成生物材料更接近活體組織[11]。而生物降解性使成纖維細胞增殖、再上皮化和促血管化以及慢性創(chuàng)面重塑過程中提供了臨時支架。由于慢性創(chuàng)面的延遲愈合會增加感染的風(fēng)險，抗菌水凝膠可用于預(yù)防感染，抗炎水凝膠可加快創(chuàng)面愈合過程，促進創(chuàng)面從炎癥期推進增殖期[12]。促血管生成水凝膠可以刺激血管生成，將所需的營養(yǎng)和氧氣輸送到創(chuàng)面加速再生。載有生物活性和藥物的水凝膠可根據(jù)環(huán)境刺激提供可控和持續(xù)的釋放，面對慢性創(chuàng)面的挑戰(zhàn)，生物水凝膠作為支架，促進再上皮化，減少炎癥，加速愈合，防止瘢痕形成并促進皮膚再生。

三、抗菌生物水凝膠在慢性創(chuàng)面中的應(yīng)用

皮膚屏障因外界因素破壞后，可能會延長創(chuàng)面愈合的過程，甚至造成慢性創(chuàng)面和更嚴重的繼發(fā)性感染。因此，研究和開發(fā)在臨床與皮膚組織完美貼合、防止細菌入侵的創(chuàng)面修復(fù)材具有重要意義。目前已經(jīng)開發(fā)出多種制備抗菌水凝膠的方法，包括在水凝膠中攜帶抗生素、抗菌藥物、金屬納米顆粒等抗菌物質(zhì)，以及通過改變物理或化學(xué)交聯(lián)方式將抗菌作用帶入水凝膠網(wǎng)絡(luò)。而無耐藥性抗菌分子的開發(fā)和相應(yīng)抗菌水凝膠的構(gòu)建將是未來皮膚再生研究的重點。Masood等[13]用乙二醇和殼聚糖溶液還原硝酸銀溶液，將銀離子轉(zhuǎn)化為納米銀，并用戊二醛作為交聯(lián)劑制備水凝膠，水凝膠的銀離子釋放緩慢而連續(xù)，提高了抗菌和抗氧化性能[14]。Xue等[15]將透明質(zhì)酸與乙二胺四乙酸(ethylenedi- aminetetraacetic acid，EDTA)-鐵離子絡(luò)合物結(jié)合，制備出具有抗菌性能和自愈性能的水凝膠。鐵離子不僅是一種物理交聯(lián)劑，而且是一種無毒的抗菌物質(zhì)。水凝膠在遇到細菌分泌的透明質(zhì)酸酶后降解，釋放出的鐵離子絡(luò)合物被細菌吸收后被過氧化氫還原為亞鐵離子，羥基自由基的產(chǎn)生破壞細菌蛋白質(zhì)和核酸，從而實現(xiàn)鐵離子高效緩釋的抗菌性能[16]。有研究發(fā)現(xiàn)，一種酚類的、無細胞毒性的天然植物提取物——單寧酸(tannic acid，TA)是通過附著在細菌上，抑制糖和氨基酸的吸收，并干擾它們的新陳代謝而起作用，有學(xué)者通過TA改變了水凝膠的結(jié)構(gòu)，提出了雙層水凝膠[17]，該水凝膠具有優(yōu)異的黏附性、自愈合性、抗菌性和抗氧化性，成為一種具有極大優(yōu)勢的多功能抗菌水凝膠。Wang等[18]受天然ECM的成分和結(jié)構(gòu)啟發(fā)，開發(fā)了對環(huán)境響應(yīng)的糖肽復(fù)合水凝膠，使巨噬細胞極化為M2表型，并能有效對抗革蘭陰性和陽性細菌。還能對付難治性的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌，糖肽水凝膠通過協(xié)調(diào)M2型巨噬細胞作出再生響應(yīng)，能減輕炎癥并促進血管生成，加速了皮膚的重建。

四、抗炎生物水凝膠在慢性創(chuàng)面中的應(yīng)用

在慢性創(chuàng)面中，持續(xù)高水平的促炎因子是抑制創(chuàng)面愈合的重要因素?？寡姿z固有的抗炎特性可促進巨噬細胞極化，減少促炎因子表達，并降低ROS水平，使創(chuàng)面從炎癥期過渡到增殖期，促進組織再生。例如，殼聚糖及其衍生物可以通過轉(zhuǎn)錄生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)、血小板衍生生長因子(platelet derived growth factor，PDGF)和IL-1的分泌來調(diào)節(jié)炎癥過程，有助于加速血管生成、成纖維細胞增殖和膠原蛋白合成。加入抗炎藥物可直接增強水凝膠的抗炎性能[19]。Zhang等[20]將抗炎中藥甘草酸摻入絲素蛋白(silk fibroin，SF)水凝膠和銀進行化學(xué)交聯(lián)，SF可通過調(diào)節(jié)細胞外基質(zhì)沉積、觸發(fā)細胞增殖和遷移、加速上皮化和肉芽組織的形成來加速皮膚再生，其高含水量和對小分子優(yōu)異的透過性和擴散性結(jié)合銀的抗菌活性，增強了水凝膠的抗炎特性并加速了創(chuàng)面再生。而在磁場的調(diào)節(jié)下，添加了磁性納米顆粒的膠原水凝膠可以調(diào)節(jié)被包裹的巨噬細胞的極化，誘導(dǎo)其中巨噬細胞由M1向M2轉(zhuǎn)化[21]。Zhang等制備了負載臍帶干細胞因子(stem cell factor，SCF)的膠原蛋白/聚乙二醇水凝膠。與非細胞因子水凝膠相比，膠原蛋白/聚乙二醇水凝膠可以抑制促炎細胞因子TNF-a表達并促進巨噬細胞向M2表型極化[22]。一款新型的含有生物陶瓷的水凝膠在慢性創(chuàng)面應(yīng)用中也具有抗炎活性。明膠/聚己內(nèi)酯納米纖維封裝的生物陶瓷顆粒中控制硅離子的釋放而減輕炎癥，同時增加了血管生成、膠原沉積和再上皮細胞形成[23]。一種由綠茶葉中分離得到的兒茶素類成分，表沒食子兒茶素沒食子酸酯(epigallocatechin-3-gallate，EGCG)成為近年來創(chuàng)面研究領(lǐng)域的熱點[24]，其具有抗炎和抗氧化活性，且能調(diào)節(jié)巨噬細胞極化，添加了EGCG的水凝膠已被證明具有良好的機械強度、適度的組織黏附性和抗炎能力[25]。

五、抗氧化生物水凝膠在慢性創(chuàng)面中的應(yīng)用

ROS大量聚集是慢性創(chuàng)面遷延不愈的另一重要因素。過量的ROS高于細胞的抗氧化能力，引起氧化應(yīng)激限制信號調(diào)節(jié)基因表達，對細胞活性和生長因子造成重大影響，損害慢性傷口的血管生成，從而阻礙愈合過程[26]。維持低濃度ROS使炎癥階段過渡到增殖階段對皮膚再生至關(guān)重要。抗氧化水凝膠的出現(xiàn)為改善慢性創(chuàng)面的氧化水平帶來新的希望。為了增強明膠的生物礦化和抗氧化性能，Zhang等[27]合成了多巴胺修飾的明膠(Gel-DA)。通過將Gel-DA與瓜爾豆膠復(fù)合構(gòu)建了Gel-DA@Ag/GG水凝膠。與未改性明膠相比，Gel-DA表現(xiàn)出良好的抗氧化活性。由于水凝膠具有高含量透明質(zhì)酸和硫醚修飾的特性，不僅促進巨噬細胞表型向抗炎M2型轉(zhuǎn)化，而且具有高效的ROS清除能力。通過自由基聚合反應(yīng)制備的熱響應(yīng)性生物材料，基于抗氧化的檸檬酸鹽合成聚檸檬酸乙二醇酯-共-N-異丙基丙烯酰胺(polyethylene glycolcitrate-co-N-isopropylacrylamide，PPCN)為載體的基質(zhì)細胞衍生因子局部持續(xù)釋放，達到預(yù)期的抗氧化和促進新生血管的功能[28]。為改善慢性創(chuàng)面的供氧不足和ROS含量高的問題，Wang等[29]將二氧化錳納米酶片引入ε-聚賴氨酸水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，催化內(nèi)源性ROS分解生成氧緩解局部氧化應(yīng)激水平，在慢性創(chuàng)面應(yīng)用中表現(xiàn)出強大的抗氧化作用。

六、促血管生成的生物水凝膠在慢性創(chuàng)面中的應(yīng)用研究

血管是血液和組織之間物質(zhì)交換的主要場所。在創(chuàng)面修復(fù)過程中，促進營養(yǎng)輸送和氧交換的血管再生對于皮膚再生至關(guān)重要，纖維蛋白不僅可以促進內(nèi)皮細胞的瘢附，還可以誘導(dǎo)損傷部位的血管形成。Hsieh等[30]采用乙二醇改性的殼聚糖、苯甲醛封端的聚乙二醇和纖維蛋白制備水凝膠，可以增加血管內(nèi)皮細胞的數(shù)量并產(chǎn)生更多的血管分支。除了水凝膠材料本身作用外，攜帶生長因子的水凝膠也顯示出血管化作用。Wang等[31]使用β-環(huán)糊精、葡聚糖和透明質(zhì)酸制備含有白藜蘆醇和血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的水凝膠，用于燒傷傷口愈合。VEGF可誘導(dǎo)炎癥細胞到損傷部位，刺激內(nèi)皮細胞增殖和遷移，從而促進傷口上皮再生。還有研究人員開發(fā)了一種把兩種趨化因子原位聚合交聯(lián)在明膠-羥苯基丙酸水凝膠中的策略，水凝膠釋放的IL-8和巨噬細胞炎癥蛋白-3α募集內(nèi)皮細胞，增強新血管形成以促進修復(fù)[32]。生物活性離子也具有刺激或激活血管生成的能力，基于溫泉浴療法，由于溫泉浴富含礦物質(zhì)，在熱刺激下提供促血管生成的治療效果。Sheng等[33]制備了一種用于慢性創(chuàng)面促血管生成的水凝膠敷料，由N,O -羧甲基殼聚糖(N,O-carboxymethyl chitosan，NOCS)和鐵云石組成，含生物陶瓷的亞鐵和硅酸鹽離子。在光熱效應(yīng)的溫和熱刺激下，生物活性離子從NOCS水凝膠中釋放到創(chuàng)面床，在小鼠全層皮膚的慢性創(chuàng)面中，激活了多種血管生成因子和信號通路，促進了血管生成和皮膚再生。對慢性創(chuàng)面患者而言，重建皮膚附屬物是皮膚結(jié)構(gòu)和功能再生的挑戰(zhàn)。硫化氫一直被認為對血管生成有內(nèi)源性調(diào)節(jié)作用，在燒傷創(chuàng)面和胃潰瘍愈合具有積極作用，Nazarnezhada等[34]構(gòu)建了海藻酸鹽結(jié)合0.5%的硫化氫水凝膠處理創(chuàng)面后，不僅促進新血管生成和上皮化，大鼠全層皮膚、毛囊和皮脂腺也有顯著的再生效果。

七、總結(jié)和展望

生物水凝膠的探索和開發(fā)可以基于免疫調(diào)節(jié)可重建皮膚和改善惡化的病理環(huán)境，包括感染糖尿病和缺血的創(chuàng)面，有效促進修復(fù)組織，探討基于載有生物活性因子和藥物的水凝膠作研究，掌握復(fù)合水凝膠的生物降解性和相容性，對水凝膠敷料的性能進行改性，討論由免疫通路調(diào)控對皮膚病理組織結(jié)構(gòu)重建，以體內(nèi)促進緩解有害炎癥，最大限度的發(fā)揮水凝膠對組織的修復(fù)再生能力，促進血管生成使皮膚再生。慢性創(chuàng)面被損傷的毛囊、汗腺等皮膚附屬物的再生功能恢復(fù)方面需進行更多研究，預(yù)計多功能水凝膠將加速皮膚再生的研究進展，應(yīng)用于治療慢性創(chuàng)面。