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氢气在伤口修复和组织再生过程中的作用

已有 1021 次阅读 2024-4-6 18:46 |个人分类:氢气生物学|系统分类:科研笔记

氢气在伤口修复和组织再生过程中的作用

摘要

慢性非愈合性伤口是临床上的一大挑战,带来了沉重的经济负担。伤口愈合受损源于过度的炎症、感染、缺血和氧化应激。氢分子作为一种新兴的治疗性医用气体,通过选择性清除自由基、激活抗氧化酶、减少促炎细胞因子以及潜在的调节细胞信号传导,展现出抗氧化、抗炎和细胞保护的特性。早期的临床前证据显示,氢气疗法可能通过加速闭合、减少炎症和减轻组织损伤来促进伤口愈合。初步的小规模人体试验和病例报告表明,通过吸入、摄取、局部应用或沐浴的方式给予氢气是可行的,且表面看来安全。然而,缺乏严格的临床试验来验证治疗效果。未来的研究应当优化输送方式、剂量、时机和组织生物利用度,以将有希望的临床前发现转化为有效的临床氢气治疗用于伤口护理。决定性的大规模研究是关键的下一步。

Artamonov, M.Y., LeBaron, T.W., Pyatakovich, F.A. and Minenko, I.A., 2024. Molecular Hydrogen and Its Effect on Wound Healing and Tissue Regeneration.

 

一、前言

伤口愈合是一个复杂的生理过程,涉及协调的细胞、分子和生化事件,导致组织修复和伤后功能的恢复。这一动态过程可分为四个重叠的阶段:止血、炎症、增殖和组织重塑。虽然理想的伤口愈合结果在没有疤痕形成的情况下恢复组织完整性,但这个精心策划的过程可能会受到内在和外在因素的损害,导致慢性非愈合性伤口[1]。

在组织受伤时,第一反应是止血,这能停止出血并限制血液流失。由局部反射和循环儿茶酚胺引起的血管收缩实现了初步的止血控制。这一过程通过血小板聚集和纤维蛋白凝块形成进一步加强,其中交联的纤维蛋白作为一个临时基质[2]。止血塞还包含由去颗粒的血小板释放的各种生长因子和细胞因子,帮助启动炎症阶段。

炎症在受伤后不久开始,表现为免疫细胞的外渗和趋化作用,特别是中性粒细胞之后是巨噬细胞向伤口部位迁移。中性粒细胞吞噬并摧毁细菌和碎片,而巨噬细胞清除死亡组织并在炎症后期继续进行吞噬作用[3]。巨噬细胞还释放多种促进成纤维细胞增殖、细胞外基质合成和血管生成的生长因子和细胞因子。释放的关键促炎细胞因子包括肿瘤坏死因子α (TNF-α)、白细胞介素1和6 (IL-1 和 IL-6)、以及转化生长因子β (TGF-β) [1]。

大约在48至72小时后,增殖阶段开始,涉及多个过程以恢复组织的完整性。在炎症期间形成的临时细胞外基质得到增强,因为成纤维细胞增殖并沉积胶原蛋白、纤连蛋白、糖胺聚糖和蛋白多糖[2]。受诸如血管内皮生长因子(VEGF)等因子刺激的血管生成,为愈合的组织提供养分和氧气。角质形成细胞也增殖并迁移穿过伤口床以重新上皮化表面。伤口愈合的最后阶段是重塑,可能持续数月至数年。基质金属蛋白酶(MMPs)降解多余的胶原蛋白以重塑疤痕组织并增加抗张强度[4]。肌成纤维细胞将伤口边缘拉到一起,同时胶原纤维沿张力线排列。重塑逐渐使受伤组织恢复到伤前结构和功能状态,尽管所形成的疤痕组织只能恢复约80%的原始强度[5]。

虽然这个分阶段的伤口愈合过程允许有效地修复受伤组织,但高龄与愈合延迟有关,可能是由于生长因子产生减少和血管生成不足[1]。老年人的伤口还表现出胶原累积和重塑减少[6]。肥胖也可能通过慢性炎症和血管功能障碍损害愈合。糖尿病由于高血糖、生长因子减少、血管生成和胶原积累不足、免疫功能障碍以及易感染等因素,强烈抑制了愈合过程(图1)[7]。

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1展示了伤口愈合的各个阶段。止血在受伤后立即发生以停止出血。随后的炎症阶段通过招募免疫细胞来清理伤口。增殖阶段涉及重新上皮化(1)、成纤维细胞增殖(2)、血管生成(3)和基质沉积(4)等过程,以覆盖伤口部位。然后,重塑阶段通过胶原蛋白重塑和细胞凋亡在数月/数年内加强伤口。这一协调的过程有效地闭合了伤口并恢复了上皮屏障。

 

慢性非愈合性伤口也以持续的炎症和升高的促炎细胞因子如TNF-α和IL-1β为特征[8]。这阻碍了向增殖阶段的过渡。由于疾病、压力或类固醇药物导致的免疫功能障碍也妨碍了正常愈合。电离辐射产生的活性氧物质会损害细胞,导致血管不良的组织和异常的细胞外基质[9]。需要控制伤口感染以允许超越炎症阶段。在周围动脉疾病或静脉不足等情况下的循环受损会导致缺血和缺氧,从而损害愈合[1]。最后,包括蛋白质、维生素C和A以及锌在内的营养缺乏可以通过抑制细胞增殖和胶原蛋白合成来延迟愈合(图2)[10]。

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2.伤口愈合的障碍:揭开抑制再生旅程的复杂因素。

炎症是正常伤口愈合反应的关键部分。在炎症阶段,会释放各种细胞因子、趋化因子和生长因子以招募中性粒细胞和巨噬细胞等免疫细胞到伤口处[11]。这些免疫细胞抵御感染,清除受损组织,并释放额外信号激活组织修复过程,如血管生成和纤维形成。然而,由升高的促炎细胞因子如TNF-α和IL-1驱动的不受控制的炎症也会损害愈合。慢性伤口通常表现出持续的炎症,这阻碍了向增殖阶段的过渡[12]。因此,炎症对愈合是必要的,但其谨慎调节同样重要。在伤口愈合过程中,由于有氧代谢和免疫细胞活化,会产生活性氧(ROS)。在低浓度下,ROS有助于防御微生物,并作为信号分子促进细胞增殖和迁移[13]。然而,过量的ROS会损害脂质、蛋白质、核酸和细胞外基质成分,同时耗尽内源性抗氧化防御。这种氧化应激通过引起细胞衰老、凋亡和坏死来阻碍愈合[14]。糖尿病等全身性疾病和局部伤口环境都可能破坏氧化还原平衡。清除ROS并增强内源性抗氧化能力的抗氧化剂可能有助于纠正氧化应激并促进伤口愈合。包括姜黄素、蜂蜜和α-生育酚在内的局部抗氧化剂在动物模型中显示出前景,但在人类的临床证据仍然有限[15]。其他抗氧化疗法如ebselen和锌在糖尿病伤口模型中已证明有效,但也需要进一步的临床评估[16]。一个关键挑战是有效地将抗氧化剂持续送达患者慢性伤口以促进愈合。

 

二、氢分子H2)的生物医学作用

曾经被作为一种生理惰性气体,最近氢气在动物模型中显示出具有抗氧化、抗炎和细胞保护作用[17]。作为最小的分子,氢可以迅速扩散并在亚细胞室中积累,以减少局部氧化应激。通过吸入气体、溶解在盐水或水中或局部制剂的方式给予氢气可能对难以愈合的伤口具有治疗潜力,通过纠正潜在的氧化还原失衡。早期的临床前研究已经在皮肤瓣缺血、烧伤、辐射损伤和糖尿病伤口的啮齿动物模型中显示了氢的有益效果。然而,仍需严格的临床研究将这些有希望的发现转化为人类伤口愈合。

2.1 氢分子生物学作用机制

氢分子H2)是一种由两个连接的氢原子组成的气体。这种稳定的双原子氢分子具有最低的分子量为2.02 g/mol,并且在生理上是惰性的[18]。作为最轻的气体,氢可以迅速扩散穿过细胞膜并渗透组织。氢气在水中的溶解度较低,最大溶解度约为1.6 mg/L [19]。重要的是,氢分子作为一种选择性抗氧化剂,可以减少有害的反应性氧物质(ROS),如羟基自由基和过氧亚硝酸盐,这些物质与许多疾病状态有关。然而,氢不会干扰参与细胞信号传导和稳态的基本ROS(图3)[20]。

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 3.氢分子的直接和间接抗氧化机制。直接影响包括清除羟基自由基(OH)以形成水,通过将其转化为亚硝酸盐和水来消除过氧亚硝酸盐(ONOO),以及还原过氧化氢(H2O2)和超氧自由基。间接影响包括激活Nrf2途径以上调抗氧化基因如谷胱甘肽,并通过抗炎作用减少氧化损伤。这些直接的自由基清除活动和间接的信号通路调节以及炎症的共同作用赋予了氢分子其抗氧化的好处。

 

氢气是无色、无味、无毒、不致敏且环保的。它可以扩散进入亚细胞室如线粒体和细胞核,使其能够对抗细胞器的氧化损伤。氢分子迅速清除羟基自由基和过氧亚硝酸盐,形成水和其他无害的副产品。它还可能通过激活Nrf2途径诱导内源性抗氧化酶[21]。氢分子的独特属性使其能够选择性地减少细胞毒性ROS,同时也可能增强内源性抗氧化防御。这使得氢成为一种针对氧化应激的临床应用前景的治疗剂,如难以愈合的伤口。

2.1.1 清除毒性自由基

氢的主要作用机制是通过直接清除细胞毒性活性氧(ROS),特别是羟基自由基和过氧亚硝酸盐[18]。氢分子与羟基自由基的反应极为迅速,甚至比超氧反应更快,生成水并中断自由基链式反应,抑制损伤的传播[22]。氢还将过氧亚硝酸盐还原为亚硝酸盐和水,消除这种高活性氮物种[23]。

2.1.2 激活内源性抗氧化酶

在啮齿动物模型中的研究表明,氢分子激活了Nrf2转录因子,从而诱导几种内源性抗氧化酶的表达[24]。氢通过Nrf2核转移和抗氧化反应元件的激活上调了如谷胱甘肽、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、NADPH醌氧化还原酶-1和血红素加氧酶-1等抗氧化物[25]。增强这些内在抗氧化物增强了细胞自身对抗氧化损伤的防御能力。

2.1.3 抗炎作用

已经证明氢具有抗炎特性,通过下调促炎细胞因子和介质。饮用氢水在多个啮齿动物模型中降低了TNF-α、IL-6、IL-1β、趋化因子(C-C模体)配体2等炎症标志物的水平,通过抑制像NF-kB和JNK这样的途径[26]。减轻过度炎症有助于愈合,防止进一步的组织损伤。

2.1.4 影响细胞信号作用

新兴研究表明氢分子也可能改变miRNAs、MAP激酶如p38、PPARγ和其他细胞信号分子,以提供细胞保护[27]。仍需要额外的研究来全面描述氢对细胞内信号传导途径的影响,并确定它们如何可能有助于其生物学效应(图4)。

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4.氢气发挥其有益健康效应的一些关键机制,包括自由基清除、抗氧化剂激活、抗炎作用和信号通路的调节。

 

三、氢分子的临床前研究

动物研究提供了氢分子在伤口愈合、缺血再灌注损伤、辐射诱导损伤以及其他疾病模型中有益效果的证据。

3.1 啮齿动物伤口模型

多项在糖尿病和非糖尿病小鼠中的研究表明,氢分子改善了伤口闭合和愈合[28]。通过饮用氢水摄入的氢气加速了正常和糖尿病小鼠的伤口闭合,与对照组相比。局部应用氢凝胶也通过保留可存活的真皮组织改善了糖尿病小鼠的伤口愈合。在大鼠中,氢凝胶减小了伤口大小并促进了更早的恢复[29]。这些益处是通过减少氧化应激和炎症来实现的(图5)。

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5.氢分子在糖尿病和非糖尿病小鼠中改善了伤口愈合。与对照组相比,饮用氢水加速了伤口闭合。局部应用的氢凝胶也促进了伤口愈合,特别是在糖尿病小鼠中,通过减少氧化应激和炎症。用氢凝胶治疗的大鼠显示出更小的伤口大小和更快的恢复。

3.2 皮瓣移植模型

缺血再灌注损伤是移植后皮肤瓣存活的重大障碍。氢分子治疗已被证明可以减少大鼠皮肤瓣模型中的组织坏死和凋亡[30]。氢气吸入通过上调血管内皮生长因子(VEGF)表达并增加缺血组织中的新生血管形成,提高了皮肤瓣的生存能力。它还降低了丙二醛的水平并增加了超氧化物歧化酶的水平,表明减少了氧化损伤。

3.3 放射损伤模型

暴露于电离辐射会产生大量的氧化应激和细胞损伤。在小鼠和大鼠中的研究表明,氢气处理通过中和氧化和凋亡来减轻辐射引起的皮肤和其他组织的损伤[31]。饮用氢水通过保留增殖细胞来改善小鼠中受辐射影响的伤口愈合[29]。放射保护作用可能涉及调节促炎细胞因子和细胞周期蛋白。

3.4 烧伤

氢气疗法在烧伤模型中也显示出效果。氢气吸入减弱了烧伤受伤大鼠的炎症和氧化应激[32]。这伴随着VEGF的增加和肉芽组织的形成。局部氢气处理也改善了大鼠二度烧伤的愈合。这些益处是通过减少组织水肿、中性粒细胞浸润和凋亡来实现的。

尽管氢分子在啮齿动物伤口模型中已显示出效果,但大型动物研究仍然有限。正在进行的研究需要评估其改善患者问题性伤口愈合的临床潜力。

 

四、氢分子的临床研究

4.1 早期关于氢气促进伤口愈合的初步研究

尽管动物研究提供了有希望的结果,但评估氢分子在伤口愈合应用方面的临床研究还非常有限。然而,早期的试点研究已经探讨了氢气疗法在皮肤移植手术、放射损伤、糖尿病溃疡和其他难以愈合的伤口患者中的潜在治疗效果和可行性。在一项研究中,饮用富含氢的水改善了5名接受头颈部肿瘤外科重建手术的患者的移植皮肤生存能力,并减少了氧化应激[28]原文存在错误。在摄入氢水的患者的血浆中,像8-OHdG这样的氧化标志物水平较低。 在13名接受恶性盆腔肿瘤放疗的患者中,吸入氢气也是可行且被良好耐受的[33]原文为氢水提高肝癌放疗生活质量,而不是吸入氢气对盆腔肿瘤。这个小型研究表明对于放射引起的皮炎可能有益处。在五名糖尿病患者中局部应用电解氢气盐水有助于改善溃疡面积和缺血情况,尽管样本量有限[34]血小板不是氢气。虽然这些早期的试点研究由于患者数量少而无法得出确定性结论,但它们为通过摄入、吸入和局部途径传递氢分子的安全性和潜在疗效提供了初步证据。

4.2 皮肤移植存活率、放射组织损伤

40名患者中的随机试验发现,围手术期吸入氢气改善了Mohs手术后的皮肤移植存活率与对照组相比[35]原文有错误另一项试验报告称,每周进行3次氢浴可降低接受乳腺癌放疗的患者的放射性皮炎严重程度并改善生活质量[36]原文错误,是血小板,不是氢气

4.3 伤口愈合试验的荟萃分析

 最近的一项荟萃分析汇总了来自8个临床试验的数据,发现氢气疗法显著改善了伤口愈合,促进了肉芽形成和上皮化[37]该分析是hydrogel dressings不是氢气 除了小型试验外,病例报告也显示了氢气治疗在某些与难以愈合的伤口相关的病状中有有益的效果。例如,饮用氢水导致一名舌癌患者因放射引起的口腔黏膜炎迅速改善[33]。氢气也被报道在两名接受颅脑放疗的患者中减轻了放射性皮炎[38]。

4.4 人体中的安全性、耐受性

来自临床研究的安全数据表明,氢分子被良好耐受,没有观察到任何主要的不良效应。摄入氢水和吸入浓度高达4-5%的氢气似乎是安全的干预方法。局部的氢气制剂似乎也不会刺激皮肤或伤口[39]。虽然临床数据仍然有限,现有证据表明氢气疗法是一种安全、可行的辅助治疗方法,可能通过抗氧化和抗炎机制有益于伤口愈合和相关病状。需要更严格设计的试验来全面评估其在患者中的疗效。

 

五、氢分子的实际应用

5.1 氢气吸入 

吸入氢气是一种高效的传递方法,可以让氢气迅速进入全身循环[18]。然而,在给患者施用氢气之前必须采取预防措施。应进行肺功能测试以评估肺容量,并识别可能不适合吸入氢气的严重呼吸系统疾病患者[40]。接受氢气治疗的患者应通过持续脉搏血氧饱和度监测来密切观察不良反应[41]。氢气/空气混合物必须适当稀释并调节至不超过4-5%的氢气浓度以防止燃烧风险[42]。这种治疗应在具有处理医用气体经验的专业人员的特殊临床环境中进行[24]。患者通过面罩、鼻导管或通风回路吸入氢气/空气混合物[20]。氢气在几分钟内就能在血液中被检测到,并到达全身各组织。然而,安全准备和提供规定浓度的氢气所需的专业设备和培训可能会限制其在专业研究中心或医院的可行性[43]。

5.2局部应用

局部制剂如凝胶、乳霜和溶液允许将氢分子直接应用于皮肤和表面伤口。这些局部配方可以现场制备或商业上预制获得。局部氢分子的渗透深度有限,因此正在研究改善传递和吸收的策略。这些包括密闭敷料、环糊精载体、脂质体囊泡和纳米颗粒。敷料本身并不直接“充满氢气”。相反,下面应用的配方旨在更好地传输或携带氢气。 还开发了含有溶解氢的缓释抗氧化水凝胶系统,以实现持久的局部传递。具体的聚合物、交联剂、增塑剂和氢供体/载体取决于所需的粘度、粘附性、柔韧性和氢释放动力学。总体而言,与简单的软膏和溶液相比,具有载体和缓释能力的高级局部传递系统可以改善组织吸收,但到达更深的组织仍然是一个挑战。

 5.3 剂量、时机和给药途径优化

尽管已经研究了不同的氢分子传递方法,但仍需针对剂量、时机和给药途径等因素优化方案。确定理想的有效剂量很重要,因为非常低和非常高的氢气剂量可能效果较差。饮用氢水通常旨在提供约0.5-1 mM的血液氢浓度。吸入氢气的较高剂量约为体积比2-4%也被使用过[44]。 给药频率和持续时间也应优化。可能需要连续每日给药以维持治疗效果,尤其是对于作用时间较短的传递模式如口服。对于伤口愈合,可能需要连续数周或数月的氢气治疗[20]。传递途径应根据目标条件和实际考虑因素量身定制。例如,对于局部皮肤伤口,局部应用是有意义的,而对于内部溃疡,通过口服或吸入的系统传递可能更为合适[45]。剂量、时机和传递途径的优化是目前将氢气疗法转化为实践的重要研究焦点。需要精心设计的临床研究来帮助建立标准化的剂量方案。

5.4 释放氢气的创口敷料

几个研究小组已经创建了能够在组织微环境中直接产生和释放氢气的创口敷料原型[46]。这些活性创口敷料含有产生氢气的化合物,当水化时允许持续的局部氢气释放(图6)。

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6. 释放氢气的创口敷料原型:慢性皮肤溃疡中持续抗氧化作用的视觉概述。

 

未来临床试验的设计

现在需要设计良好的临床试验来严格评估氢分子疗法在伤口治疗中的效果。挑战包括选择合适的结果衡量指标,如伤口闭合速率和生活质量指标。对于吸入氢气等方式,盲法可能难以实施。应评估最佳的剂量参数和传递方法。多中心、大样本量的试验将是提供关于氢气治疗愈合障碍效果高质量证据的关键。

 

结论

慢性非愈合性伤口代表着一个重大且日益增长的临床挑战,尤其是在老龄化、糖尿病和血管疾病人群中。受损的愈合是由病理性炎症、感染、缺血和氧化应激所驱动的。氢分子作为一种新兴的治疗剂,通过其抗氧化、抗炎和细胞保护机制来对抗这些潜在的驱动因素。

动物研究提供了支持氢气加速伤口闭合、增加皮肤瓣存活率、减轻放射损伤以及在其他模型中改善愈合的有希望的证据。然而,到目前为止,临床研究仍然有限。早期的试点研究和病例报告已经显示了各种氢气传递方法的可行性和潜在效果,包括吸入气体、饮用氢水、局部制剂和氢气浴。小型试验指向氢气疗法对皮肤移植存活率、放射性皮炎和慢性溃疡可能的益处。

虽然目前的临床数据不足以确认效果,但氢分子仍然是一个有前景的辅助疗法,可以通过调节氧化、炎症、凋亡和生长因子表达来克服愈合障碍。正在进行的研究正在优化剂量、时机和给药途径的方案。局部配方、经皮载体和产生氢气的创口敷料可能实现更高效的局部传递。

需要高质量、随机对照、大样本量的试验来正确评估氢分子疗法在伤口治疗中的效果。需要多中心研究来评估吸入氢气、饮用氢水、局部制剂和组合方案。应确定适当的结果衡量指标,如伤口闭合速率、生活质量和生物标志物水平。如果确立了效果,氢分子可能成为标准护理的一部分,以改善愈合结果并减少患者痛苦。

氢气是一种安全、经济可行的辅助疗法,临床前证据表明它可能通过其多方面的作用机制有益于问题性伤口愈合。严格设计的临床试验将决定氢分子是否能够作为有效干预顽固性伤口的治疗方法。将氢气疗法引入临床实践可能会影响患者生活并降低医疗成本。进一步的研究将阐明氢分子在伤口治疗中的未来轨迹。

 

提醒:使用该文信息务必小心,本文临床部分存在多处错误。



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