氢气可诱导伤口愈合新模式！
文章来源：admin发布日期：2023-08-08 18:13浏览次数：
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伤口愈合是皮肤创伤领域关注的重要问题。在糖尿病或细菌感染等因素存在情况下，伤口不愈合会成为临床棘手问题，而辐射导致的伤口不愈合简直就是临床医生的噩梦。伤口愈合问题是军事作业和普通临床医学一直非常重视的问题，寻找解决之道也成为学者们竞争的学术热点。氢气作为一种广谱抗炎症因子，在伤口愈合方面的研究也备受重视。最近北京工业大学、解放军总医院和协和医院团队联合开展这方面研究，研究论文刚刚上线。我邀请论文主要作者赵鹏翔老师对本文进行了详细介绍。赵老师非常认真地全面提供了该论文的最重要信息，这对于大家了解这一文章一定有非常大帮助。在这里对赵老师表示衷心感谢。
伤口的护理是临床和日常生活中经常遇到的问题，尽管各类促进伤口愈合的方法不断取得进展，但如何促进器官组织原位再生，特别是针对创伤引起的多组织（如皮肤、肌肉等）损伤，在修复过程中的再生调控机制以及如何诱导自身胶原堆积促进组织重塑和活化组织干细胞一直是难题。
近日，北京工业大学马雪梅教授团队、解放军总医院第六中心潘树义主任团队、协和医院王友斌主任等合作在Inflammation and Regeneration 杂志在线发表了“Molecular hydrogen promotes wound healing by inducing early epidermal stem cell proliferation and extracellular matrix deposition” 的研究论文，详细阐述了氢气在促进创伤修复过程中的功能。研究显示，氢气在创伤修复过程中可以活化多种自体组织干细胞、促进多种自体胶原蛋白产生，诱导新的伤口愈合模式，促进伤口愈合，表明氢气治疗有可能发展为一种有潜力的创伤救治方法，氢气在再生医学的相关领域也有可能发挥重要作用。论文第一作者为北京工业大学青年教师赵鹏翔。
“Inflammation and Regeneration”（IF 10.426）杂志是“日本炎症与再生学会（Japanese Society of Inflammation and Regeneration，JSIR）”的官方期刊，论文在该杂志的正式发表标志着“氢气”这个新成员被再生医学领域所认可。
成年哺乳动物的伤口愈合通常涉及四个主要过程：止血、炎症、增殖和重塑，一般会留下疤痕。这些阶段每一步的失败都可能导致急性或慢性伤口修复障碍。在评估伤口愈合时常用“TIME”（Tissue，组织； Infection/Inflammation，感染/炎症；Moisture balance，湿性愈合环境和Edge of wound，伤口边缘）来描述一个有利的伤口床微环境。
在整个动态愈合过程中，快速的再上皮化是由表皮干细胞（Epidermal Stem Cells, EpSCs）和细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）介导的，以恢复皮肤的屏障。表皮干细胞可以从各种组织中被激活和招募，如毛囊（Hair Follicles, HFs）、滤泡间表皮（Interfollicular Epithelium IFE）和骨髓，从而补充伤口部位的用于再上皮化的角质形成细胞，促进伤口闭合。此外，ECM分子可以刺激角质形成细胞从伤口边缘和附近组织迁移到伤口床。除了作为支架，ECM还为皮肤祖细胞创造一个有利的环境，这在很大程度上受益于ECM中的胶原蛋白。自体胶原蛋白主要是由成纤维细胞、上皮细胞和角质形成细胞合成。皮肤组织具有复杂的结构，在伤口愈合过程的所有阶段涉及具有不同功能的多种细胞类型的时空同步。活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）是激活细胞反应的信号之一，也对调节愈合过程的其他几个阶段至关重要。因而，促进伤口愈合的关键因素还包括：避免ROS过量产生引起的组织损伤和激活组织修复功能。
伤口愈合过程中再上皮化的速度和作用在很大程度上归因于ECM和EpSCs。现有的敷料已有采用不同的类人胶原蛋白为材料覆盖伤口以促进伤口修复，也有通过外加干细胞的方式促进伤口愈合的研究。除了这些因素外，“愈合时间”常被用于评价愈合效果。
氢气已经被证实具有显著的抗炎、抗氧化、抗凋亡功能，在包括缺血再灌注损伤、脂代谢、肿瘤等疾病中发现了积极效果。目前有关氢气治疗皮肤炎症性疾病、皮肤损伤疾病的研究，主要利用了氢气的抗炎、抗氧化应激的作用，而对于创伤修复不同阶段氢气的作用，特别是在修复过程中组织干细胞的活化和再生调控机制缺乏相关研究。
在这项研究中，通过使用背侧全层皮肤缺损小鼠模型发现，氢气可以诱导一种新的愈合模式促进伤口愈合，特别是表现为快速再上皮化、早期ECM沉积、EpSCs激活、天然湿性愈合产生更少的结痂，另外还有更少的炎症、更好的血管生成、更快的细胞迁移以及更好的线粒体保护等特点。
用“TIME”指标来评价，氢气全面促进了伤口愈合的效果。
1）组织重塑（Tissue）：氢气促进了多种胶原蛋白的早期沉积，并有助于快速的再上皮化，紧密的表皮真皮层连接（Dermal and epidermal junction，DEJ），大量血管形成和真皮胶原沉积，并引发天然湿性的愈合环境，极大的改善了组织的重塑。
ECM沉积在组织重塑过程中充当脚手架和铺路石的作用，营造重要的局部微环境，并维持皮肤结构的完整性，从而促进包括上皮细胞、成纤维细胞、血管内皮细胞、神经细胞等细胞亚群活化、运动及再生。氢气介入后，创面在早期（2-3天）伤口修复近端即出现大量ECM沉积，主要包括真皮层Col-1、Fibronectin，上皮层Col-III、Laminin、Integrin，上皮-真皮紧密连接层Col-XVII等，氢气促进ECM沉积的治疗效果延续至伤口愈合后期（创伤后11天）。在血管生成方面，氢气处理促进创伤早期（2-3天）伤口近端血管生成，并增加愈合过程中伤口部位的血流及血氧值；体外血管生成实验同样证实，氢气可以促进血管内皮细胞形成官腔状结构，效果与生长因子对照组相当。划痕、活细胞运动成像等体外实验显示，氢气处理促进了成纤维细胞的运动功能，并提高细胞骨架重构和胶原分泌能力。氢气在愈合早期（1-3天）转录组测序显示，创伤发生后1天，氢气处理组伤口边缘皮肤组织表达上调基因富集于胶原堆积、血管生成、ECM重塑等生物学过程，下调基因富集于ECM降解等功能；创伤后2天氢气组上调基因富集于肌肉细胞运动、微丝微管组装等生物过程；创伤后3天氢气组上调基因富集于能量代谢等生物过程，提示氢气对线粒体的功能影响。
2）炎症（ Infection/Inflammation）：炎症影响伤口愈合和基质沉积，研究表明，伤后24小时小鼠脾脏CD4+和CD8+T细胞在各组之间无显著性差异，氢气减少了脾脏Th1，Th2 和Th17细胞亚群的比例，提示系统性炎症反应得到了较好抑制，而这种Th细胞亚群的转移在促进伤口愈合方面很重要。局部组织的炎症因子浸润体现了伤口愈合的炎症水平。创伤发生24小时后，氢气组伤口近端皮肤促炎因子TNF-α及IL-1β表达水平下降，而抑炎因子IL-10表达升高，反映了氢气对早期局部创面的抗炎效果。与以往的研究不同，文章发现，氢气在发挥促进伤口愈合的生物作用时，可能并不依赖于抗氧化/抗自由基的作用，这可以通过与抗ROS药物NAC处理组的愈合效果对比来部分反映。
3）湿性愈合（Moisture balance）：常规是通过外用水凝胶等敷料保持伤口的湿性环境以促进伤口愈合。令人惊讶的是氢气可以诱导伤口形成一种自然的湿润环境，血痂的形成被抑制。伤口床成分分析表明，差异的12种代谢物均为氨基酸，其中，l-脯氨酸，特别是4-羟脯氨酸是胶原蛋白合成的主要原料，这一方面可能是氢气造成湿性愈合环境的原因，也从一个侧面说明伤口区在进行活跃的胶原代谢。这种无需通过任何其他治疗手段而达到的皮肤自身湿性愈合的模式，更加有利于后续的愈合过程。氢气引发的天然湿性愈合使伤口床不出现血痂等阻碍，因此大大提高了表皮细胞的迁移速率，上皮化速度明显加快。此外，湿性过程中，氢气组伤口床近端局部组织中EGF、TGF-β等生长因子表达量升高，有助于伤口的愈合，且上皮化过程无阻碍存在，不易有疤痕产生。
4）伤口边缘（Edge of wound）：氢气极大地促进了再上皮化进展，成纤维细胞快速迁移和早期EpSCs增殖。
氢气处理3天后，伤口边缘上皮层厚度明显增厚，上皮细胞加速伤口床的覆盖。上皮层角质形成细胞得到基底干细胞与毛囊干细胞的补充，氢气促进早期愈合阶段基底干细胞与毛囊干细胞的增殖活化，以加速伤口修复过程。氢气处理后伤口近端上皮及真皮层ECM堆积明显，尤其伤口近端上皮层婴儿蛋白Col-III、紧密连接层细胞年轻状态维持相关蛋白Col-XVII表达明显增加，提示近端上皮层较好的分化潜能。愈合早期（3天）伤口近端电镜观测显示，氢气可以增加角质形成细胞张力丝的数量，并促进角质形成细胞中受损线粒体的形态学恢复，提示角质形成细胞更好的运动能力及活性。氢气组创伤后3天，伤口近端真皮层与上皮层中，成纤维细胞转变为αSMA+肌成纤维细胞，角质形成细胞转变为αSMA+类肌上皮细胞，均具有更好的胶原分泌能力。体外成纤维细胞运动实验提示，氢气可以促进成纤维细胞运动趋化。可见，氢气能够增加早期伤口近端各层细胞的活性，营造更好的伤口边缘环境。
由于氢气能在伤口愈合过程中促进早期上皮化和组织重塑，它是否也可能对肌肉和神经等其他组织损伤有修复作用？在肌肉挫伤模型中发现，腓肠肌肿胀和血灌注从第二天开始明显缓解，表明氢气在软组织和肌肉损伤中同样具有修复作用。另外，氢气对皮肤的神经损伤修复和轴突成熟也表现出促进作用。
这些研究表明，与其他治疗针对特定靶点不同，氢气在伤口愈合过程中具有多功能性。在没有与任何特定药物结合的情况下，氢气单独使用能够提高伤口愈合率，其优势包括但不限于促进自体ECM沉积、自体干细胞早期增殖、血管形成、细胞活力和天然湿性愈合模式等。这种高效的治疗方法有望在临床伤口治疗以及组织损伤修复、再生等更广泛的领域应用。
文章作者进行了讨论，认为这可能部分与氢气诱导多种细胞的活性增强有关。尽管目前的大多数报告都集中在氢气的抗氧化、抗炎症功能，这个研究表明，抗氧化功能可能并不是氢气加速伤口愈合的主要原因，抗氧化剂NAC和氧气组对愈合的影响与对照组相比无显著差异。另外，选择性抗氧化的机制不能解释研究中观察到的氢气诱导ECM的早期堆积和EpSCs的激活。此外，研究发现氢气促进不同类型细胞的活力，表现为内皮细胞形成更多的管状结构，成纤维细胞的细胞迁移更快，角质形成细胞有更好的上皮化等。这也反映在EpSCs的早期增殖中，然而，增殖似乎受到严格的调控，在伤后的前2天内增殖，从第3天开始分化。氢气在伤口愈合过程中，能够通过不同的时间点，在相同的组织空间，提高不同细胞的活力。电镜观察显示，组织线粒体数量增加、异常减少，这可能部分解释氢气在伤口愈合过程中促进细胞增殖和迁移能力等功能。
目前关于氢气的机理除了选择性抗氧化外，还有信号假说等，作者认为氢气的作用可能是多靶点的，包括线粒体电子传递链、细胞膜离子通道、生物酶（包括HRP等铁卟啉酶、氢化酶和一些氧化还原酶类）等，氢气可能在生命的很多基本的生物过程水平上发挥作用，这需要在未来进一步探索。
