创面外部微环境因素对创面愈合影响的研究进展

Abstract

创面微环境与创面愈合的速度和质量直接相关，其由多种物理、化学及生物因素构成，且正常情况下这些因素处于动态平衡。为了解各类物理、化学和生物因素对不同创面愈合的影响，并在今后可以有针对性地创造出能促进创面愈合的微环境，该文对影响创面愈合的温度、湿度、pH值、氧、微生物、生物力学等外部微环境因素进行综述。

皮肤作为人体的第1道屏障，发挥着重要的保护作用，同时也非常容易受到伤害。各类致伤因素导致的急慢性皮肤创面十分常见。随着我国社会经济的发展，慢性创面的增长速度甚至超过了各类烧创伤所致的急性创面。创面的持续存在不但降低了患者的生活质量，还导致医疗费用的增加，给患者个人及其家庭带来沉重的负担，同时也逐渐成为新时代我国卫生工作面临的重大问题之一^[1-2]。创面微环境通过影响创面修复相关细胞的生物学行为直接影响创面愈合的速度和质量。近年来，关于创面内、外部微环境的研究日益增多，尤其是创面外部微环境在创面愈合过程中的作用机制也越来越受到重视。本文通过对影响创面愈合的外部微环境因素进行综述，以加强对微环境影响创面愈合机制的理解，进而为通过调控微环境促进创面愈合提供新的研究思路。

1. 创面微环境对创面愈合的影响

皮肤创面微环境是指创面局部及邻近区域影响创面修复的各种因素的总称^[2]，可以分为创面外部微环境和创面内部微环境，前者指直接与创面外表面相接触的外界环境，常见的创面外部微环境因素包括温度、湿度、pH值、氧、微生物等；后者指由创面组织中的不同细胞、ECM、各类分子及液体所构成的内部微环境^[3]。创面内、外部微环境并不是相互独立，而是不断进行物质交换的。在适宜的微环境中，细胞增殖、迁移等行为会有不同程度的增强，生长因子的作用也会得到加强，从而减轻炎症反应及促进肉芽组织形成、血管生成、胶原沉积和再上皮化等，甚至可以预防瘢痕形成^[4]。

2. 创面外部微环境因素在创面愈合中的作用

2.1. 温度

皮肤是调节机体体温的重要器官，在不同温度的环境中，皮肤可调节血管舒张和控制汗腺分泌，通过辐射、传导、对流及蒸发等方式散热，皮肤完整性被破坏势必会影响局部温度，而局部温度也会反过来影响创面愈合。人体躯干的平均温度为33.5~36.9 ℃，急性创面伴随的炎症反应会使血管扩张，再加上前列腺素等炎症介质的共同作用会导致创面温度升高；慢性创面常常伴随血管化不足与氧合受损，此时创面温度则会降低，如果慢性创面突然出现温度异常升高则可能是发生了感染。有研究者检测到下肢溃疡患者创面中心温度低于创面边缘温度，这与他们观察到创面中心的血管再生较边缘弱一致^[5]。Lou等^[6]研发了一种可以实时监测创面温度的系统，并通过猪创面模型揭示了创面组织再生过程中温度的变化规律：伤后前5 d，创面温度处于上升期，直到达到39 ℃；伤后6~8 d处于39~39.5 ℃的平台期；到伤后第9天，创面温度开始下降。他们还观察到创面温度的变化趋势与创面炎症细胞和新生血管数变化相同。也有研究显示人体创面形成初期温度上升，随后正常愈合过程中温度逐渐下降至接近正常体温^[5]。

Gethin等^[7]汇总分析了有关慢性开放性创面患者创面床温度的文章，结果显示慢性非感染创面温度为（31.7±1.4）℃，他们指出当创面床温度低于核心温度时，胶原沉积、炎症细胞、Fb减少，导致创面愈合延迟。还有研究者观察到，创面温度可以通过影响局部血供和淋巴细胞趋化，从而影响创面愈合，并且他们认为在没有感染的情况下，急性创面温度上升可以改善局部的血供和提高皮下氧张力，从而创造一种有利于创面愈合的条件^[8]。通常情况下，创面感染和炎症反应都会导致创面温度升高，局部损伤所引起的炎症反应是机体修复过程中至关重要的环节，而一旦有外界病原体入侵引发感染则会严重妨碍创面的愈合，但很多时候感染与炎症在创面愈合的早期表现相似，因此能否在早期判断创面是否发生感染有着重要意义。Siah等^[9]做了一项包含64例患者的前瞻性研究，他们观察到感染和未感染的外科手术创面在术后第1~4天温度都较正常皮肤显著升高，但术后第1~2天感染创面的温度要明显低于未感染创面。他们认为这可能是因为术后第1~2天未感染创面处于生理性愈合状态，新生毛细血管正常生成以运输氧气和营养物质；而此时期感染创面由于血供不足导致氧气和营养物质缺乏，代谢产物堆积，从而出现较低的温度，他们的这项研究为手术后早期识别感染创面提供了一定参考依据。

2.2. 湿度

皮肤作为蒸发散热的主要途径，其水分损失量可以用水蒸气透过率来衡量，生理状态下完整皮肤水蒸气透过率通常在8.5 g·m^-2·d^-1左右^[10]。一旦皮肤受损，水蒸气透过率将会明显升高，开放性创面的水蒸气透过率可超过正常值的10倍，并且创面在丢失水分的同时伴随着电解质的丢失。1962年，英国的Winter^[11]博士在文章中指出用湿润的敷料覆盖猪皮肤创面可加速其上皮化，他由此提出了湿性愈合理论，认为湿性环境不仅可以减少水分的丢失，还可加速创面愈合，且愈合质量高。这一理论的提出对当时普遍认可的干性愈合理论提出挑战，也为后续众多的研究奠定了基础。后来有研究表明，湿性条件下创面愈合过程中产生的液体可以促进KC和Fb的增殖和迁移，同时可以维持生长因子的活性，并且创面中新生血管排列更有序^[12]。此外，湿性环境还可以通过调节氧张力，促进毛细血管和胶原再生，使肉芽组织顺利生长^[13]。在传统的干性环境下，创面表面的血液、淋巴液、渗出液、坏死组织等形成坚硬的痂皮，痂皮下方创缘处的表皮细胞增殖、迁移导致创面收缩，但此过程中痂皮会损伤新生肉芽组织，常导致愈合过程的反复，而湿性环境却可以很好地保护新生肉芽组织^[14]。Kong等^[15]对口腔黏膜愈合过程进行监测，结果显示无菌的湿性创面微环境与特定的生长因子相结合可以促进创面迅速无瘢痕化愈合，在此过程中湿性环境不仅有利于组织修复，还可促进生长因子运输到创面部位，该研究提示若能在体外模拟口腔黏膜的愈合方式或可实现体表创面的无瘢痕化愈合。

尽快建立湿性创面环境可以减轻烧伤后创面的进一步加深。Grolman等^[16]使用琼脂糖水凝胶覆盖猪烧伤创面，创造湿性环境，有效减轻了烧伤创面的进一步加深，同时创面的愈合速度加快。湿性创面环境还可以通过促进内源性酶分解坏死组织，加速组织自溶清创，具有减轻换药疼痛、减少换药时对创面的二次损伤、促进胶原生成、维持创面中营养物质和其他可溶性成分的活性等多种优点^[17]。目前湿性愈合理论被广泛认可，无论是针对急性创面还是慢性创面，绝大多数的敷料在设计的时候都要考虑到其保湿效果，因此水凝胶敷料成为研究热点。水凝胶敷料在具有保湿和减轻换药疼痛等优点的基础上，还可通过添加多种材料，从而同时通过多种途径促进创面愈合。在临床上使用敷料时也要充分考虑敷料的保湿性能，但同时也要关注创面是否有发生感染的可能。一旦发生感染，潮湿温暖的创面环境会成为致病性微生物绝佳的培养基，从而增加创面愈合难度。

2.3. pH值

人体皮肤角质层的pH值为4~6，这种微酸性的环境可以防止如金黄色葡萄球菌和马拉色菌等微生物的定植，当皮肤全层或者角质层损伤时，因暴露创面底层组织，pH值会上升至7.4左右^[18]。在创面正常愈合的过程中，初期由于凝血反应和炎症反应，局部血供、氧供不足，乳酸和二氧化碳堆积，导致创面pH值下降至6左右；中期酸性坏死物质被清除，炎症反应减弱，血供逐渐恢复，pH值会短暂升高至7以上；后期随着创面再上皮化及皮脂腺等外分泌腺分泌物的增多，会再次导致pH值下降，从而接近生理状况^[19]。慢性创面由于机体多伴有基础疾病及多发感染等原因，情况更加复杂，可能不完全遵循此规律。王越等^[20]对Ⅲ、Ⅳ期压疮患者创面pH值进行检测，证实压疮创面pH值在7.5~8.7之间波动，且pH值随着创面愈合而逐渐下降。若感染持续存在，细菌产生的氨等可使得创面pH值在碱性范围内波动，这也提示pH值可以作为预测创面愈合情况的工具^[21]。

许多涉及表皮的疾病（如特应性皮炎、痤疮等）都会表现为皮肤屏障紊乱和pH值升高，而角质层pH值的改变会影响酶的活性，从而影响营养物质的吸收、分解和供能，因此通过局部酸化治疗使创面pH值恢复正常，有助于恢复创面生理微生物群、修复皮肤屏障、诱导表皮分化、减轻炎症^[22]。此外，pH值还会影响创面氧张力，有研究者证实将小鼠创面pH值降低0.6可使氧合血红蛋白的释氧量提高50%，因此可利用较高的氧饱和度促进Fb生长、胶原沉积和创面再上皮化，并且KC和Fb在体外受到一定水平的酸化处理后增殖和迁移能力提高^[23]。有研究表明创面pH值会影响Fb和KC的增殖和迁移，人KC迁移的最佳pH值为8.5左右、增殖的最佳pH值为7~8，人Fb增殖的最佳pH值为5^[15]。Sim等^[18]指出酸性环境更有利于创面愈合，在酸性环境下，创面不仅感染风险更低，肉芽组织和新生血管生成更佳，而碱性环境更容易导致创面细菌感染和细菌生物膜形成。也有研究者提出，在创面愈合过程中发挥重要作用的一些酶在中性或弱碱性时活性会更高，如组织蛋白酶G在pH值为7时活性较高，基质金属蛋白酶、胰肽酶等在pH值为8时活性较高^[21]。此外，创面pH值还会对生长因子的活性产生影响，Pan等^[24]制备了不同pH值的水凝胶，以研究在不同创面pH值下FGF对创面愈合的作用，他们观测到酸性FGF在弱酸性（pH值为6.4）环境下能够显著加速创面收缩，促进肉芽组织形成、血管生成及创面再上皮化。

2.4. 氧

氧在创面修复的过程中起着关键作用，细胞正常的生理代谢与组织修复的各个环节都离不开氧的参与。氧可以促进创面收缩，加速血管生成，促进KC分化、迁移和再上皮化，刺激Fb增殖和增加胶原合成^[25]。皮肤中的氧供主要来自真皮血管网络，再向表皮扩散，并随着扩散距离的增加而增加，因此当真皮血管网受到损伤时通常伴随着氧供降低。急性创面由于局部血管损伤，一般处于轻度低氧状态，这种低氧可作为促进血管再生和组织愈合的早期刺激因素，通过增加缺氧诱导因子1（hypoxia inducible factor-1，HIF-1）其中一个亚基HIF-1α的表达，并诱导HIF-1α进入细胞核与另一亚基HIF-1β结合，组成异源二聚体HIF-1，进而调控下游靶基因，使得VEGF的表达升高，VEGF则可以通过旁分泌等方式促进血管内皮细胞的增殖、迁移与存活，加速血管新生与重建^[26]。慢性创面由于限制氧气输送的因素持续存在，创面氧分压常维持在5~20 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）左右，而在正常组织中氧分压基本处于30~50 mmHg^[27]，同时慢性创面患者存在如糖尿病、免疫缺陷、营养不良等问题，使创面情况更加复杂。以糖尿病创面为例，长期的高糖环境引起的血管病变使创面组织与细胞长期处于低血供和高消耗的低氧环境中，加上晚期糖基化终末产物堆积，进一步损害血管内皮细胞、Fb和KC的正常功能，同时基质金属蛋白酶的表达升高，VEGF和TGF-β₁等生长因子的降解速度加快，进一步妨碍了新生内膜的形成^[28]。

此外，还有许多研究表明当创面处于低氧环境时，机体会启动一系列的调节机制来促进创面恢复到生理状态。而慢性创面的形成可能是由于机体自发的促修复作用不足以应对各类致病因素带来的损伤。基于慢性创面氧供不足这一认识，有研究者提出制备一个由可持续释放氧的微球和清除活性氧的水凝胶组成的持续氧化系统，将该系统应用于小鼠糖尿病创面，持续释放的氧气增强了KC和Fb的存活和迁移能力，促进了血管生成，提高了VEGF的表达，降低了促炎性细胞因子的表达^[29]。高压氧治疗可以通过升高氧分压，增加血液的携氧量，对多种缺血缺氧性疾病都有益处。Huang等^[30]证实，高压氧治疗可激活糖尿病小鼠创面中HIF-1α和核因子κB的表达，从而刺激Fb中基质细胞衍生因子-1和VEGF的表达，调节血管内皮细胞的增殖和迁移，最终促进血管生成和创面愈合。

活性氧被认为是细胞内氧的代谢产物之一，现阶段的研究认为一定水平的活性氧可通过促进细胞增殖、迁移和血管生成等促进创面愈合，而活性氧水平过高则会妨碍创面愈合。在正常的创面愈合过程中，活性氧会充当许多免疫细胞的次级信使，参与创面修复，并且在协调淋巴细胞募集到创面的过程中起着重要作用^[31]。而在慢性创面中，持续的炎症反应会导致活性氧的大量堆积，甚至超过机体抗氧化水平，从而阻止创面从炎症期向增殖期过渡，进一步形成恶性循环，影响创面愈合^[32]。这种由活性氧攻击组织细胞引起的损伤被称为氧化损伤，这种损伤可以是由活性氧增加引起的，也可以由活性氧清除减少引起。1篇2022年发表的指南指出不同的活性氧分子作用机制差别很大，不能以广义的“活性氧”去粗略地研究这一物质损害机体的机制，而要根据不同分子的特性进行机制研究^[33]。

2.5. 微生物

通常情况下，皮肤表面的共生微生物群不仅作为皮肤屏障的一部分起着抵御病原微生物入侵的作用，还有着增强上皮细胞分化能力、调节宿主的免疫系统等作用^[34]。皮肤中的共生微生物群通常被认为是由一些特定种类的细菌、病毒和真菌组成的，其中细菌主要包括放线菌门、厚壁菌门和变形菌门细菌；病毒主要为噬菌体，其可与共生细菌一同发挥调控作用；真菌数量较少，其中马拉色菌在成人皮肤真菌群落中较为多见^[35]。在一定条件下，共生微生物也可以转变为致病性微生物，各类微生物导致的感染中又以细菌感染最为常见，细菌感染不仅会干扰创面愈合，细菌入血导致的菌血症、败血症以及脓毒血症等更可能会造成全身感染并最终危及患者生命。在创面感染的过程中，首先定植的多为革兰阳性菌，如凝固酶阴性的葡萄球菌，此类细菌生长适宜的pH值为7左右；之后出现的是铜绿假单胞菌和大肠埃希菌这类能够在pH值为7~8的环境中生长的细菌；若创面情况进一步恶化，随着创面加深，pH值也会升高，若再伴有氧供不足则会出现厌氧菌^[3]。

炎症反应是机体清除入侵微生物的重要手段之一，清创不彻底可能会延长炎症反应的持续时间，同时细菌等病原微生物的存在可刺激机体分泌IL-1和TNF-α等促炎性细胞因子来增强炎症反应，创面炎症反应持续存在则可能会使急性创面发展为慢性创面^[6]。有研究者对2 963例慢性创面患者进行回顾性分析，结果显示约63%的患者创面中检测出葡萄球菌，25%的患者创面中检测出假单胞菌，此外棒状杆菌、丙酸杆菌等人体共生菌以及厌氧菌也较为常见^[34]。在慢性创面中，细菌多以细菌生物膜的形式存在，细菌生物膜是指细菌成群聚集在生物或非生物表面所形成的有组织的群落，形成生物膜后细菌耐药性增强，且难以被清除，并持续刺激创面产生炎症反应，从而使慢性创面更加难以愈合。有研究表明，慢性创面存在期间有60%的时间伴有细菌生物膜的存在，而急性创面存在期间只有6%的时间有细菌生物膜存在^[36]。生物膜相关的感染通常由多种致病菌引起，并且细菌在成熟的细菌生物膜中仅占10%左右，其余90%由胞外聚合物构成，胞外聚合物中的多糖起到促进细菌黏附、聚集和形成屏障的作用，蛋白质和腐殖质等与生物膜内的氧化还原反应有关^[37]。生物膜中的细菌主要有2种存在形式，一是作为生物膜的一部分，二是以浮游状态存在于生物膜内，并且这2种状态的细菌可以相互转化^[37]。虽然现在已经有多种方法，如组织学检查、细菌培养以及核糖体RNA测序等可以检测到创面中细菌生物膜的存在，但这些方法或是特异性低或是主要被用于实验研究领域，目前临床上仍然没有诊断慢性创面细菌生物膜的金标准。为研究细菌生物膜的形成与持续存在机制并开发有针对性的治疗方法，Wächter等^[38]使用电纺纳米纤维在体外构建了细菌生物膜模型，从而在体外模拟慢性感染创面，这一模型的建立为后续细菌生物膜的研究奠定了基础。目前早期不能准确检测出创面细菌生物膜依然是临床治疗中需要解决的问题，此外，虽然由于真菌和病毒的丰度较低，目前更多关注的还是各类细菌对创面愈合的影响，但真菌和病毒也会影响创面愈合，它们可能是未来创面修复领域的研究方向。

2.6. 生物力学

生物力学微环境主要指细胞间的各种力学信号，其作用于细胞可诱导细胞电信号发生改变，从而调控细胞的生物学行为。目前许多研究表明给予创面一定的外力可以促进其愈合，外界机械力作用于创面细胞后，通过细胞骨架与细胞蛋白分子链进行传递，并将力学信号转变为生物化学信号，从而调控细胞生物学行为^[39]。负压疗法在临床中应用广泛，其中VSD技术便是通过给予创面一定的吸力，起到刺激细胞增殖、促进局部血液循环、清除坏死组织、抑制细菌等作用。随着研究的不断深入，研究者观察到VSD技术在引流分泌物的同时，还具有保湿，刺激VEGF、FGF等生长因子的释放，降低基质金属蛋白酶及炎症因子如TNF-α、IL-1β的表达，促进Fb和血管内皮细胞的增殖及肉芽组织生长等诸多有利于创面修复的作用^[40-41]。从微观层面看，负压疗法是一种通过改变创面的生物力学微环境，从而改变细胞行为，进而促进组织修复的典型方法。Liu等^[42]使用兔创面模型证实，在创面施加负压和正压都能促进创面愈合，且负压的作用更好，且该研究表明，在创面上施加的正压与负压均可通过促进中性粒细胞浸润、上调IL-1β、下调IL-10、刺激EGF在内的一系列生长因子的分泌等，从而促进创面愈合。

皮肤软组织扩张技术也是临床上修复皮肤缺损的常用手段，其主要原理是通过将生理盐水注入埋置在健康皮肤下的球囊，给予皮肤一定的机械张力使皮肤扩张，以达到修复邻近创面的目的。皮肤软组织扩张器的应用证明局部的机械拉伸可以刺激皮肤细胞的增殖，Huang等^[43]的一项研究表明，短期对小鼠皮肤施加机械张力可以通过降低E钙黏蛋白的表达，使皮肤KC发生去分化，增强KC干性，从而促进皮肤再生。另一项研究则证明长期的机械张力可通过表观遗传组学的途径抑制Yes相关蛋白的表达，从而降低表皮细胞干性^[44]，这也就解释了为何皮肤扩张到一定程度后会停止增长并出现各类并发症。还有研究者指出创面部位的机械张力可以促进血管新生，并且机械张力是Fb向肌Fb转化的重要条件^[45]。

2.7. 其他

除上述外部微环境因素外，外界的电场、磁场等也会影响创面细胞的生物学行为。有研究者观察到在巴马猪皮肤创面上给予连续、稳定的由创缘向创面中心的电场，可以有效促进KC增殖、迁移，并抑制其分化，从而提高创面再上皮化速度；他们在体外实验中观察到给予的电场可以促进HaCaT细胞的集体迁移，引导Fb重排，促进胶原分泌^[46]。

3. 总结与展望

目前针对创面微环境开展的研究逐渐增多，如何从微环境调控的角度强化促进创面愈合的因素并消除不利因素是本领域的研究热点。同时也要注意各种微环境因素之间的平衡，因为创面微环境的各种因素不是独立存在的，它们之间相互影响。以外部微环境为例，湿度和温度会相互影响，湿度和温度也都会影响血管舒缩，进而影响氧供和细菌繁殖；反过来温度和氧供也都受到血流量的影响，血流情况也会影响感染情况；pH值的改变也会直接影响细菌的生长和繁殖，pH值降低还会通过增加氧合血红蛋白的释氧量，从而影响氧供；而一旦发生细菌感染则会因为炎症反应的存在使创面温度升高，并且可能会增加氧气的消耗。创面内、外部微环境之间不断进行物质交换，联系密切，因此考虑影响创面愈合的微环境因素时，不能从单一的方面考虑，要综合各类因素，将创面微环境当作一个整体，以追求一种更加平衡的状态，这也启发研究者们若能研发一种同时纳入多个指标的智能创面监测系统，便可以更好地监测创面愈合状态和指导临床治疗。同时，不同的外部微环境因素对创面愈合的影响程度又有较大的差异，如发生感染可以明显干扰创面愈合的速度和质量，相比之下温度和湿度改变对创面愈合的影响会小一些。综上，通过对创面外部微环境进行研究，了解各类物理、化学和生物因素对不同创面的形成和愈合的影响，可以有针对性创造出可以促进创面愈合的微环境，相信在不久的将来会有越来越多的基于这些基础研究的技术和方法用于临床。

Funding Statement

国家重点研发计划（2022YFC2403100）；国家自然科学基金面上项目（82172198）

National Key Research and Development Program of China (2022YFC2403100); General Program of National Natural Science Foundation of China (82172198)