烧伤创面愈合机制及金属纳米粒子在创面愈合中的应用

刘 宁 薛宝霞, 程 伟 牛 梅 杨永珍 张 利

（1.山西医科大学第三医院，山西白求恩医院，山西医学科学院，同济山西医院，山西 太原 030032；2.山西浙大新材料与化工研究院，山西 太原 030032；3.太原理工大学轻纺工程学院，山西 太原 030024；4.太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室，山西 太原 030024）

烧伤是指由火焰、热液、高温气体、激光、炽热金属液体或固体等所引起的组织损害，也包括电、化学物质等所致的损伤，常伴有组织坏死，是临床上常见且处理棘手的外伤[1]。烧伤不仅给患者带来极大的痛苦，而且遗留的瘢痕和功能障碍导致患者生存质量较差，因此加快烧伤创面愈合、减轻疼痛、帮助患者重返社会是烧伤治疗的目标[2]。纳米材料是目前的研究热点，并已广泛用于皮肤创面的治疗，特别是金属纳米颗粒，已有多项体内和体外研究证明了其促进创面愈合的特性，特别是金属纳米粒子在治疗伤口方面展示出强大潜力，可作为解决某些生物问题特别是促进伤口愈合的有前景的候选物[3]。本文从烧伤创面的愈合机制和以纳米材料为基础的治疗方法在创面愈合和组织再生中的应用综述如下。

1 烧伤创面的病理生理学

烧伤所引发的病理生理改变主要是血管通透性增加并且体内纤溶系统启动，从而导致血浆蛋白外渗和血小板聚集。严重烧伤会对皮肤和其他组织造成广泛损害，通常与体液、电解质紊乱以及伤口感染有关。与急性创伤或手术伤口相比，烧伤创面的治疗因体液和电解质流失、创面边缘损伤坏死以及感染而更加复杂[4]。

1.1 烧伤引起的局部改变 烧伤与其他破坏性伤口或手术切口最大的区别在于损伤对损伤区域血管的影响。烧伤会损伤创面附近区域的血管，从而限制或中断受伤部位的血流以及周围区域的血流变化。烧伤后，机体会立即启动血管收缩、凝固的过程，以维持体内的稳态。一般根据烧伤创面组织的血流状况可将其分为3个不同的区域[1]：①凝固区：此区域位于最靠近热源的创面中心区，因暴露于最大热量并遭受最大的损害而导致发生广泛的蛋白质变性、凝固和降解，该区域皮肤组织主要表现为焦痂坏死组织。②停滞区：这是与烧伤坏死组织区域相邻的区域，在此区域中的组织还具有一定的生物活性，但是由于周围血管损伤使得此区域的血液灌注不足甚至停滞，若不进行干预，缺血和缺氧可导致组织在48 h内发生坏死；缺血区的细胞坏死和凋亡机制并不明确，可能与伤后24 h内的细胞自噬及伤后24～48 h左右的延迟细胞凋亡机制有关[5]。研究证明，氧化应激可能在坏死的组织转归中起一定作用，其中系统性抗氧化剂给药可减少组织坏死的进展[6]。③充血区：是受伤区域的边缘，烧伤和未烧伤皮肤之间的界面，一般而言，该区域血管结构的物理损伤很少甚至没有，主要表现为血管的舒张和炎症反应，从而增加局部血流量。

1.2 烧伤引起的全身改变 烧伤后的局部炎症对于创面愈合以及机体抵御感染至关重要。但是，严重烧伤会引发全身炎症反应综合征，从全身炎症反应综合征到感染性休克，这一过程会造成严重的细胞与器官损伤。最初，严重烧伤的免疫反应是促炎性的，再逐渐转变为抗炎性，以维持机体内环境平衡，恢复正常的生理功能。其中，细胞因子和细胞反应会介导上述两个阶段[7]。

烧伤后全身反应的特征是血清中促炎细胞因子水平的升高，主要为白细胞介素-1β(IL-1β)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)的升高。这两种细胞因子由多种细胞损伤后产生，均有助于发热、急性期蛋白和整体分解代谢状态的产生[8]。它们促进内皮细胞和巨噬细胞产生前列腺素E2(PGE2)、IL-6和血小板活化因子。IL-6在烧伤后由多种不同的细胞产生。与IL-1β和TNF-α一样，IL-6会引起发热并产生有助于T细胞活化的急性期反应物。IL-6会在烧伤后1周左右达到峰值，其高水平与病情进展和病死率增加有关，可能是反映疾病严重程度的标志。γ干扰素(IFN-γ)是另一种促炎细胞因子，由自然杀伤细胞（NK细胞）和Th1细胞在损伤后产生，在巨噬细胞活化和CD4+T细胞向Th1细胞分化中起重要作用，同时抑制其向Th2细胞分化。在促进损伤的促炎反应中重要的细胞类型是促炎巨噬细胞和CD4+T辅助细胞[9]。

烧伤后的抗炎反应和随后的免疫抑制以一系列作用相反的细胞类型和细胞因子出现为特征。烧伤后单核巨噬细胞的产生和释放减少，同时，巨噬细胞产生PGE2增多并且分泌IL-12减少，其对T细胞分化具有协同作用。Th细胞开始优先分化为Th2细胞，产生抗炎细胞因子IL-4和IL-10[10]。导致烧伤后免疫抑制的事件的顺序尚不明确，内分泌系统变化、花生四烯酸释放和细胞因子网络变化都可能影响免疫系统的改变。严重烧伤后，会出现抗利尿激素、醛固酮、生长激素、皮质醇、胰高血糖素和儿茶酚胺水平增加。糖皮质激素水平升高会抑制IFN-γ和IL-2的产生；损伤后早期释放的去甲肾上腺素对Th1细胞产生抑制作用；严重烧伤之后巨噬细胞产生的PGE2增加，PGE2可能在继发性免疫抑制中发挥重要作用，如降低淋巴细胞增殖，降低促炎细胞因子IL-1β和IL-2水平，降低机体对IL-2的反应，抑制NK细胞活性，激活抑制性T细胞等。细胞因子水平的变化反映了烧伤后适应性免疫系统的改变，更具体地说，是T淋巴细胞群内的改变[11]。

1.3 烧伤创面的愈合过程 烧伤创面的愈合是一个复杂的过程，一般将创面的愈合分为止血、炎症、增殖、重塑4个阶段[12]，是动态且相互重叠的过程。

烧伤后的第一阶段是损伤限制阶段，通常是创面出血，并伴有凝血。这不仅暂时填充了组织缺失的部分，封住创面，防止进一步的失血，而且将第一批反应细胞导入创面区域，促进创面愈合进入到下一个炎症阶段[13]。第二阶段的特征是流向受伤区域的血流增加，使中性粒细胞和单核细胞通过损伤部位的血管扩张和体液外渗启动免疫应答，之后由巨噬细胞募集趋化因子以维持该过程，起到清除降解不可修复的坏死组织、保护具有一定生物活性的组织和防止创面被病原微生物定植的作用[14]。当创面环境被炎症细胞充分“浸润”时，该过程进入第三阶段，即增殖阶段。这一阶段与炎症期相互重叠，此阶段中角质形成细胞和成纤维细胞被细胞因子和生长因子激活，角质形成细胞在创面迁移以完成伤口闭合并重新构建血管网络，这是创面愈合过程中至关重要的一步，基质细胞、内皮细胞和免疫细胞间的通讯网络介导了这一过程[15]。通常认为创面闭合是愈合过程的终点，但实际上这只标志着愈合的最长阶段的开始，即重塑阶段。这一阶段是通过成纤维细胞的作用来改变伤口区域中的纤维组织填充物，即形成瘢痕。

创面收缩和瘢痕形成是增殖与重塑阶段中的重要事件，可做为单独事件探讨。创面收缩有助于闭合受损的软组织间隙，是必不可少的修复过程。在炎症阶段的终末期，间充质干细胞分化为成纤维细胞，其在创面边缘迁移并产生大量的糖胺聚糖(GAGs)、胶原和结缔组织样基质，以在最短时间内完成创面愈合。在转化生长因子-β(TGF-β)作用下，肌成纤维细胞的数量增加这一过程介导了创面收缩[16]。严重烧伤所致的全层皮肤缺损的愈合过程往往复杂且缓慢，并且创面收缩和创面边缘上皮化有关，这会导致外观与功能缺陷。

瘢痕是胶原纤维在伤口收缩时产生的拉伸应力场中的产物，使用适当的方法阻止创面收缩，可以防止瘢痕形成。有研究表明，使用肉毒杆菌毒素可以最大程度地减小创面边缘的张力，从而降低纤维增生反应与瘢痕形成[17]。深度烧伤创面由于其上皮愈合缓慢、创面张力高等特点，更容易形成增生性瘢痕。α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)由肌成纤维细胞表达，通常仅存在于血管壁与立毛肌中，更可能存在于增生性瘢痕中[18]。增生性瘢痕组织与正常皮肤相比，含有较高水平的胰岛素样生长因子-1(IGF-1)和血小板衍生生长因子(PDGF)，IGF-1增加细胞中Ⅰ型和Ⅲ型前胶原以促进内皮成纤维细胞形成，PDGF促进成纤维细胞扩散以及产生细胞外基质(ECM)[19]。抗炎因子如细胞因子抑制剂、皮质类固醇、IFN-α和IFN-β以及甲氨蝶呤已用于减少瘢痕形成。抑制胶原合成的细胞因子如IL-1、TNF-α和IFN-γ和IFN-α也用于抗纤维组织形成[20]。

2 纳米金属粒子在烧伤创面愈合中的应用

创面愈合研究的基本需求是促进组织再生，恢复皮肤的结构和功能，达到无瘢痕组织愈合或使瘢痕组织最少。尽管创面愈合的研究取得了显著进展，但临床仍存在对理想制剂的需求。理想情况下，创面愈合药物或敷料配方应该是能够减少创面炎症反应、促进早期血管生成、血管化和再上皮化，以提高创面闭合率，缩短愈合时间，并且不产生任何过敏反应或毒性作用。纳米材料因其大小、结构性能和功能等的特点而广泛应用于药物传递、成像、诊断、组织工程和光动力治疗等过程[21]。纳米材料的微观形貌、粒径、表面物理化学性质及分散性等参数是影响其生物效率的关键因素，通过影响活性物质的递送(载体循环)、渗透性(直接通过细胞膜或通过吞噬作用)和细胞反应(受体识别)等途径发挥作用[22]，关于金属和金属氧化物纳米粒子，研究最多的是银、金和锌化合物，其具有独特的抗菌活性和低毒性，是应用于创面愈合中的理想候选物[23]。

2.1 纳米银粒子(AgNPs) 银加速伤口愈合是通过影响细胞因子调节炎症来实现的[24]。银引发中性粒细胞凋亡并降低基质金属蛋白酶(MMP)活性，从而抑制炎性反应，最终使创面愈合速度加快。有研究表明，与未经相应药物治疗相比，经AgNPs治疗的瘢痕疙瘩中的TGF-β和IFN-γ水平升高，增生性瘢痕形成最小[25]。此外，在整个创面的愈合过程中，经AgNPs治疗的创面区域IL-6保持在显著较低水平，但是在愈合初期，TGF-β水平较高。在AgNPs治疗组中，较低水平的TGF-β与创面闭合前升高的IFN-γ水平暂时重叠[26]。这些研究证实了AgNPs不仅可作为抗菌剂，而且能够减轻炎症过程，有利于创面的无瘢痕愈合；且AgNPs通过诱导正常成纤维细胞分化为肌成纤维细胞，促进伤口收缩，从而加速愈合过程。AgNPs还通过角质形成细胞的增殖和重新定位刺激表皮再上皮化[27]。

Hiep等[28]在微波辅助下制备壳聚糖/聚乙烯醇(PVA)/AgNPs复合凝胶应用于创面，显示对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌具有抗菌特性，且具有良好的生物相容性和创面保护作用。Li等[29]制备的AgNPs/胶原/壳聚糖新型敷料(AgNPs-CCD)能促进在深Ⅱ度烧伤创面愈合过程中起重要作用的生长调节因子和炎症因子的产生，包括血管内皮生长因子（VEGF）、表皮生长因子受体-7(EGFL-7)、TGF-β1、碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）、TNF-α和IL-1β，该敷料在促进创面愈合和调节细胞因子表达方面表现出优异的生物学效应。

尽管AgNPs已被确定为治疗烧伤的有效抗菌剂，在减少创面炎症反应以及促进再上皮化方面展示了优异的性能，但其对人类健康危害以及对生态系统的不良影响目前还了解甚少，其作为治疗剂在临床的应用受到限制。今后需要针对上述问题开展进一步研究，并确保含银产品的设计、使用和处置的安全性。

2.2 纳米金粒子(AuNPs) AuNPs长期以来用于各种生物医学研究，包括药物递送、基因递送、光热效应、抗癌、血管生成、生物传感等[30]。AuNPs所固有的抗菌性和抗氧化性有助于创面在止血和炎症阶段的修复[31]。Arafa等[32]研究表明，AuNPs除了对烧伤感染中常见的细菌(如金黄色葡萄球菌)具备体外抗菌活性之外，与现有的应用于烧伤创面的产品相比，AuNPs在促进烧伤愈合和抗菌活性方面，显示出更高伤口愈合性能和抗菌活性。AuNPs既能直接靶向损伤细菌细胞壁，也可以与细菌DNA结合，阻止其在复制或转录过程中解旋，从而发挥杀菌和抑菌的作用。因此，AuNPs可以抑制多重耐药病原体，如金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌等。此外，AuNPs可防止活性氧的形成，起到抗氧化剂的作用，有助于创面愈合[33]。AuNPs可与皮肤脂质相互作用，能够打开角质层并穿透皮肤屏障，具有透皮活性。

此外，联合了抗氧化剂如绿茶提取物(EGCG)和α-硫辛酸(ALA)的AuNPs在皮肤创面愈合中展现了更好的结果，鼠模型以及体外细胞系中的研究均证明了其可使创面愈合显著加快[34]。由于良好的生物相容性和优异的多功能性，AuNPs有希望成为促进伤口愈合的候选药物[35]。

尽管AuNPs在生物医学中应用广泛，但其毒性仍存在争议。Lu等[36]报道，虽然低浓度的AuNPs能促进角质细胞的生长和分化，但高浓度的AuNPs与细胞毒性有关。Li等[37]揭示了AuNPs的体外毒性是取决于其粒径大小和剂量，较高剂量和较小粒径的AuNPs导致更强的细胞毒性；粒径越小，产生的活性氧(ROS)对细胞的损害越大。

2.3 纳米氧化锌粒子(ZnONPs) 锌(Zn)是人体必需的微量元素，通常作为辅助因子存在于许多酶中。有研究报道，ZnONPs产生的ROS有助于细胞迁移与黏附过程，并通过触发生长因子介导的途径加速愈合过程,在创面愈合领域有着广泛的应用[38]。Khorasani等[39]将ZnONPs掺入肝素化聚乙烯醇和壳聚糖水凝胶中制备成伤口敷料，能有效保护创面，防止创面脱水，减少渗出物形成和细菌繁殖，加快创面愈合速度。将ZnONPs掺入水凝胶基伤口敷料中时，可通过增加ZnONPs与创面的总接触时间，促进角质细胞迁移，改善再上皮化[40]。

因ZnONPs固有的抗菌性能，可用在不同的生物纳米复合材料中用于促进创面愈合及控制感染。但是，ZnONPs有毒性作用，有关于临床前安全性动物模型的研究报告了其在人类中使用的一些限制。例如，高浓度ZnONPs与角质形成细胞的线粒体功能障碍有关，会导致乳酸脱氢酶释放。此外，ZnONPs在产生ROS的同时，还抑制人角质形成细胞超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶基因的表达，诱导细胞膜氧化应激和细胞凋亡[41]。

3 总结与展望

从生物学和生理学角度理解创面的愈合过程至关重要，创面愈合是一个涉及止血、炎症、增殖和重塑的复杂过程，可能受到各种内部和外部因素的干扰，其中最重要的因素是感染。近年来，对创面愈合过程中细胞和分子机制的深入研究，对采用纳米技术开发更先进的治疗措施产生了深远影响。银、金和锌等金属纳米粒子具有低毒性和抗菌活性等优异性能，是用于伤口敷料的理想候选材料。虽然现有研究已经证实纳米材料可以在创面愈合的各个阶段发挥促进愈合的积极作用，但同一种材料不可能贯穿应用在整个愈合过程，不同阶段可能需要不同类型的材料。目前的研究大多集中在促进止血、抗感染、免疫调节和促进细胞增殖方面，对其深入机制方面的研究较少，并且，对纳米材料作用于创面的分子机制及信号通路尚未有明确的认识。创面研究未来需要更好地了解细胞反应和分析纳米材料不同物化特征以及揭示创面愈合过程中涉及的细胞信号通路，这将有助于为新型纳米材料用于创面治疗开辟新的途径。