燒傷創面愈合機制及金屬納米粒子在創面愈合中的應用

劉 寧 薛寶霞, 程 偉 牛 梅 楊永珍 張 利

（1.山西醫科大學第三醫院，山西白求恩醫院，山西醫學科學院，同濟山西醫院，山西 太原 030032；2.山西浙大新材料與化工研究院，山西 太原 030032；3.太原理工大學輕紡工程學院，山西 太原 030024；4.太原理工大學新材料界面科學與工程教育部重點實驗室，山西 太原 030024）

燒傷是指由火焰、熱液、高溫氣體、激光、熾熱金屬液體或固體等所引起的組織損害，也包括電、化學物質等所致的損傷，常伴有組織壞死，是臨床上常見且處理棘手的外傷[1]。燒傷不僅給患者帶來極大的痛苦，而且遺留的瘢痕和功能障礙導致患者生存質量較差，因此加快燒傷創面愈合、減輕疼痛、幫助患者重返社會是燒傷治療的目標[2]。納米材料是目前的研究熱點，并已廣泛用于皮膚創面的治療，特別是金屬納米顆粒，已有多項體內和體外研究證明了其促進創面愈合的特性，特別是金屬納米粒子在治療傷口方面展示出強大潛力，可作為解決某些生物問題特別是促進傷口愈合的有前景的候選物[3]。本文從燒傷創面的愈合機制和以納米材料為基礎的治療方法在創面愈合和組織再生中的應用綜述如下。

1 燒傷創面的病理生理學

燒傷所引發的病理生理改變主要是血管通透性增加并且體內纖溶系統啟動，從而導致血漿蛋白外滲和血小板聚集。嚴重燒傷會對皮膚和其他組織造成廣泛損害，通常與體液、電解質紊亂以及傷口感染有關。與急性創傷或手術傷口相比，燒傷創面的治療因體液和電解質流失、創面邊緣損傷壞死以及感染而更加復雜[4]。

1.1 燒傷引起的局部改變 燒傷與其他破壞性傷口或手術切口最大的區別在于損傷對損傷區域血管的影響。燒傷會損傷創面附近區域的血管，從而限制或中斷受傷部位的血流以及周圍區域的血流變化。燒傷后，機體會立即啟動血管收縮、凝固的過程，以維持體內的穩態。一般根據燒傷創面組織的血流狀況可將其分為3個不同的區域[1]：①凝固區：此區域位于最靠近熱源的創面中心區，因暴露于最大熱量并遭受最大的損害而導致發生廣泛的蛋白質變性、凝固和降解，該區域皮膚組織主要表現為焦痂壞死組織。②停滯區：這是與燒傷壞死組織區域相鄰的區域，在此區域中的組織還具有一定的生物活性，但是由于周圍血管損傷使得此區域的血液灌注不足甚至停滯，若不進行干預，缺血和缺氧可導致組織在48 h內發生壞死；缺血區的細胞壞死和凋亡機制并不明確，可能與傷后24 h內的細胞自噬及傷后24～48 h左右的延遲細胞凋亡機制有關[5]。研究證明，氧化應激可能在壞死的組織轉歸中起一定作用，其中系統性抗氧化劑給藥可減少組織壞死的進展[6]。③充血區：是受傷區域的邊緣，燒傷和未燒傷皮膚之間的界面，一般而言，該區域血管結構的物理損傷很少甚至沒有，主要表現為血管的舒張和炎癥反應，從而增加局部血流量。

1.2 燒傷引起的全身改變 燒傷后的局部炎癥對于創面愈合以及機體抵御感染至關重要。但是，嚴重燒傷會引發全身炎癥反應綜合征，從全身炎癥反應綜合征到感染性休克，這一過程會造成嚴重的細胞與器官損傷。最初，嚴重燒傷的免疫反應是促炎性的，再逐漸轉變為抗炎性，以維持機體內環境平衡，恢復正常的生理功能。其中，細胞因子和細胞反應會介導上述兩個階段[7]。

燒傷后全身反應的特征是血清中促炎細胞因子水平的升高，主要為白細胞介素-1β(IL-1β)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)的升高。這兩種細胞因子由多種細胞損傷后產生，均有助于發熱、急性期蛋白和整體分解代謝狀態的產生[8]。它們促進內皮細胞和巨噬細胞產生前列腺素E2(PGE2)、IL-6和血小板活化因子。IL-6在燒傷后由多種不同的細胞產生。與IL-1β和TNF-α一樣，IL-6會引起發熱并產生有助于T細胞活化的急性期反應物。IL-6會在燒傷后1周左右達到峰值，其高水平與病情進展和病死率增加有關，可能是反映疾病嚴重程度的標志。γ干擾素(IFN-γ)是另一種促炎細胞因子，由自然殺傷細胞（NK細胞）和Th1細胞在損傷后產生，在巨噬細胞活化和CD4+T細胞向Th1細胞分化中起重要作用，同時抑制其向Th2細胞分化。在促進損傷的促炎反應中重要的細胞類型是促炎巨噬細胞和CD4+T輔助細胞[9]。

燒傷后的抗炎反應和隨后的免疫抑制以一系列作用相反的細胞類型和細胞因子出現為特征。燒傷后單核巨噬細胞的產生和釋放減少，同時，巨噬細胞產生PGE2增多并且分泌IL-12減少，其對T細胞分化具有協同作用。Th細胞開始優先分化為Th2細胞，產生抗炎細胞因子IL-4和IL-10[10]。導致燒傷后免疫抑制的事件的順序尚不明確，內分泌系統變化、花生四烯酸釋放和細胞因子網絡變化都可能影響免疫系統的改變。嚴重燒傷后，會出現抗利尿激素、醛固酮、生長激素、皮質醇、胰高血糖素和兒茶酚胺水平增加。糖皮質激素水平升高會抑制IFN-γ和IL-2的產生；損傷后早期釋放的去甲腎上腺素對Th1細胞產生抑制作用；嚴重燒傷之后巨噬細胞產生的PGE2增加，PGE2可能在繼發性免疫抑制中發揮重要作用，如降低淋巴細胞增殖，降低促炎細胞因子IL-1β和IL-2水平，降低機體對IL-2的反應，抑制NK細胞活性，激活抑制性T細胞等。細胞因子水平的變化反映了燒傷后適應性免疫系統的改變，更具體地說，是T淋巴細胞群內的改變[11]。

1.3 燒傷創面的愈合過程 燒傷創面的愈合是一個復雜的過程，一般將創面的愈合分為止血、炎癥、增殖、重塑4個階段[12]，是動態且相互重疊的過程。

燒傷后的第一階段是損傷限制階段，通常是創面出血，并伴有凝血。這不僅暫時填充了組織缺失的部分，封住創面，防止進一步的失血，而且將第一批反應細胞導入創面區域，促進創面愈合進入到下一個炎癥階段[13]。第二階段的特征是流向受傷區域的血流增加，使中性粒細胞和單核細胞通過損傷部位的血管擴張和體液外滲啟動免疫應答，之后由巨噬細胞募集趨化因子以維持該過程，起到清除降解不可修復的壞死組織、保護具有一定生物活性的組織和防止創面被病原微生物定植的作用[14]。當創面環境被炎癥細胞充分“浸潤”時，該過程進入第三階段，即增殖階段。這一階段與炎癥期相互重疊，此階段中角質形成細胞和成纖維細胞被細胞因子和生長因子激活，角質形成細胞在創面遷移以完成傷口閉合并重新構建血管網絡，這是創面愈合過程中至關重要的一步，基質細胞、內皮細胞和免疫細胞間的通訊網絡介導了這一過程[15]。通常認為創面閉合是愈合過程的終點，但實際上這只標志著愈合的最長階段的開始，即重塑階段。這一階段是通過成纖維細胞的作用來改變傷口區域中的纖維組織填充物，即形成瘢痕。

創面收縮和瘢痕形成是增殖與重塑階段中的重要事件，可做為單獨事件探討。創面收縮有助于閉合受損的軟組織間隙，是必不可少的修復過程。在炎癥階段的終末期，間充質干細胞分化為成纖維細胞，其在創面邊緣遷移并產生大量的糖胺聚糖(GAGs)、膠原和結締組織樣基質，以在最短時間內完成創面愈合。在轉化生長因子-β(TGF-β)作用下，肌成纖維細胞的數量增加這一過程介導了創面收縮[16]。嚴重燒傷所致的全層皮膚缺損的愈合過程往往復雜且緩慢，并且創面收縮和創面邊緣上皮化有關，這會導致外觀與功能缺陷。

瘢痕是膠原纖維在傷口收縮時產生的拉伸應力場中的產物，使用適當的方法阻止創面收縮，可以防止瘢痕形成。有研究表明，使用肉毒桿菌毒素可以最大程度地減小創面邊緣的張力，從而降低纖維增生反應與瘢痕形成[17]。深度燒傷創面由于其上皮愈合緩慢、創面張力高等特點，更容易形成增生性瘢痕。α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA)由肌成纖維細胞表達，通常僅存在于血管壁與立毛肌中，更可能存在于增生性瘢痕中[18]。增生性瘢痕組織與正常皮膚相比，含有較高水平的胰島素樣生長因子-1(IGF-1)和血小板衍生生長因子(PDGF)，IGF-1增加細胞中Ⅰ型和Ⅲ型前膠原以促進內皮成纖維細胞形成，PDGF促進成纖維細胞擴散以及產生細胞外基質(ECM)[19]?？寡滓蜃尤缂毎蜃右种苿?、皮質類固醇、IFN-α和IFN-β以及甲氨蝶呤已用于減少瘢痕形成。抑制膠原合成的細胞因子如IL-1、TNF-α和IFN-γ和IFN-α也用于抗纖維組織形成[20]。

2 納米金屬粒子在燒傷創面愈合中的應用

創面愈合研究的基本需求是促進組織再生，恢復皮膚的結構和功能，達到無瘢痕組織愈合或使瘢痕組織最少。盡管創面愈合的研究取得了顯著進展，但臨床仍存在對理想制劑的需求。理想情況下，創面愈合藥物或敷料配方應該是能夠減少創面炎癥反應、促進早期血管生成、血管化和再上皮化，以提高創面閉合率，縮短愈合時間，并且不產生任何過敏反應或毒性作用。納米材料因其大小、結構性能和功能等的特點而廣泛應用于藥物傳遞、成像、診斷、組織工程和光動力治療等過程[21]。納米材料的微觀形貌、粒徑、表面物理化學性質及分散性等參數是影響其生物效率的關鍵因素，通過影響活性物質的遞送(載體循環)、滲透性(直接通過細胞膜或通過吞噬作用)和細胞反應(受體識別)等途徑發揮作用[22]，關于金屬和金屬氧化物納米粒子，研究最多的是銀、金和鋅化合物，其具有獨特的抗菌活性和低毒性，是應用于創面愈合中的理想候選物[23]。

2.1 納米銀粒子(AgNPs) 銀加速傷口愈合是通過影響細胞因子調節炎癥來實現的[24]。銀引發中性粒細胞凋亡并降低基質金屬蛋白酶(MMP)活性，從而抑制炎性反應，最終使創面愈合速度加快。有研究表明，與未經相應藥物治療相比，經AgNPs治療的瘢痕疙瘩中的TGF-β和IFN-γ水平升高，增生性瘢痕形成最小[25]。此外，在整個創面的愈合過程中，經AgNPs治療的創面區域IL-6保持在顯著較低水平，但是在愈合初期，TGF-β水平較高。在AgNPs治療組中，較低水平的TGF-β與創面閉合前升高的IFN-γ水平暫時重疊[26]。這些研究證實了AgNPs不僅可作為抗菌劑，而且能夠減輕炎癥過程，有利于創面的無瘢痕愈合；且AgNPs通過誘導正常成纖維細胞分化為肌成纖維細胞，促進傷口收縮，從而加速愈合過程。AgNPs還通過角質形成細胞的增殖和重新定位刺激表皮再上皮化[27]。

Hiep等[28]在微波輔助下制備殼聚糖/聚乙烯醇(PVA)/AgNPs復合凝膠應用于創面，顯示對金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌具有抗菌特性，且具有良好的生物相容性和創面保護作用。Li等[29]制備的AgNPs/膠原/殼聚糖新型敷料(AgNPs-CCD)能促進在深Ⅱ度燒傷創面愈合過程中起重要作用的生長調節因子和炎癥因子的產生，包括血管內皮生長因子（VEGF）、表皮生長因子受體-7(EGFL-7)、TGF-β1、堿性成纖維細胞生長因子（bFGF）、TNF-α和IL-1β，該敷料在促進創面愈合和調節細胞因子表達方面表現出優異的生物學效應。

盡管AgNPs已被確定為治療燒傷的有效抗菌劑，在減少創面炎癥反應以及促進再上皮化方面展示了優異的性能，但其對人類健康危害以及對生態系統的不良影響目前還了解甚少，其作為治療劑在臨床的應用受到限制。今后需要針對上述問題開展進一步研究，并確保含銀產品的設計、使用和處置的安全性。

2.2 納米金粒子(AuNPs) AuNPs長期以來用于各種生物醫學研究，包括藥物遞送、基因遞送、光熱效應、抗癌、血管生成、生物傳感等[30]。AuNPs所固有的抗菌性和抗氧化性有助于創面在止血和炎癥階段的修復[31]。Arafa等[32]研究表明，AuNPs除了對燒傷感染中常見的細菌(如金黃色葡萄球菌)具備體外抗菌活性之外，與現有的應用于燒傷創面的產品相比，AuNPs在促進燒傷愈合和抗菌活性方面，顯示出更高傷口愈合性能和抗菌活性。AuNPs既能直接靶向損傷細菌細胞壁，也可以與細菌DNA結合，阻止其在復制或轉錄過程中解旋，從而發揮殺菌和抑菌的作用。因此，AuNPs可以抑制多重耐藥病原體，如金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌等。此外，AuNPs可防止活性氧的形成，起到抗氧化劑的作用，有助于創面愈合[33]。AuNPs可與皮膚脂質相互作用，能夠打開角質層并穿透皮膚屏障，具有透皮活性。

此外，聯合了抗氧化劑如綠茶提取物(EGCG)和α-硫辛酸(ALA)的AuNPs在皮膚創面愈合中展現了更好的結果，鼠模型以及體外細胞系中的研究均證明了其可使創面愈合顯著加快[34]。由于良好的生物相容性和優異的多功能性，AuNPs有希望成為促進傷口愈合的候選藥物[35]。

盡管AuNPs在生物醫學中應用廣泛，但其毒性仍存在爭議。Lu等[36]報道，雖然低濃度的AuNPs能促進角質細胞的生長和分化，但高濃度的AuNPs與細胞毒性有關。Li等[37]揭示了AuNPs的體外毒性是取決于其粒徑大小和劑量，較高劑量和較小粒徑的AuNPs導致更強的細胞毒性；粒徑越小，產生的活性氧(ROS)對細胞的損害越大。

2.3 納米氧化鋅粒子(ZnONPs) 鋅(Zn)是人體必需的微量元素，通常作為輔助因子存在于許多酶中。有研究報道，ZnONPs產生的ROS有助于細胞遷移與黏附過程，并通過觸發生長因子介導的途徑加速愈合過程,在創面愈合領域有著廣泛的應用[38]。Khorasani等[39]將ZnONPs摻入肝素化聚乙烯醇和殼聚糖水凝膠中制備成傷口敷料，能有效保護創面，防止創面脫水，減少滲出物形成和細菌繁殖，加快創面愈合速度。將ZnONPs摻入水凝膠基傷口敷料中時，可通過增加ZnONPs與創面的總接觸時間，促進角質細胞遷移，改善再上皮化[40]。

因ZnONPs固有的抗菌性能，可用在不同的生物納米復合材料中用于促進創面愈合及控制感染。但是，ZnONPs有毒性作用，有關于臨床前安全性動物模型的研究報告了其在人類中使用的一些限制。例如，高濃度ZnONPs與角質形成細胞的線粒體功能障礙有關，會導致乳酸脫氫酶釋放。此外，ZnONPs在產生ROS的同時，還抑制人角質形成細胞超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶基因的表達，誘導細胞膜氧化應激和細胞凋亡[41]。

3 總結與展望

從生物學和生理學角度理解創面的愈合過程至關重要，創面愈合是一個涉及止血、炎癥、增殖和重塑的復雜過程，可能受到各種內部和外部因素的干擾，其中最重要的因素是感染。近年來，對創面愈合過程中細胞和分子機制的深入研究，對采用納米技術開發更先進的治療措施產生了深遠影響。銀、金和鋅等金屬納米粒子具有低毒性和抗菌活性等優異性能，是用于傷口敷料的理想候選材料。雖然現有研究已經證實納米材料可以在創面愈合的各個階段發揮促進愈合的積極作用，但同一種材料不可能貫穿應用在整個愈合過程，不同階段可能需要不同類型的材料。目前的研究大多集中在促進止血、抗感染、免疫調節和促進細胞增殖方面，對其深入機制方面的研究較少，并且，對納米材料作用于創面的分子機制及信號通路尚未有明確的認識。創面研究未來需要更好地了解細胞反應和分析納米材料不同物化特征以及揭示創面愈合過程中涉及的細胞信號通路，這將有助于為新型納米材料用于創面治療開辟新的途徑。