天然蛋白质促皮肤伤口愈合的研究进展

杨 湘，张曦木

（重庆医科大学附属口腔医院牙周科 口腔疾病与生物医学重庆市重点实验室 重庆市高校市级口腔生物医学工程重点实验室，重庆，401120）

1 前言

伤口愈合是一个复杂的过程，通常包括4个阶段：止血，炎症，增殖和重塑[1]。在这个过程中，细菌感染将导致伤口愈合过程延长。目前，传统的伤口敷料如纱布、绷带等虽然已成功应用于临床，但还存在透气性和防水性差、无抗菌和内源性促伤口愈合作用等缺点。这些缺点的存在使传统敷料并没有达到预期的治疗效果，并且经常更换伤口敷料也可能会对患者造成二次伤害。因此，一种理想的具有良好的生物相容性、抗菌性、透气性、防水性、弹性和伸展性的皮肤伤口敷料在创面修复中非常重要，它可以吸收多余的渗出物，维持伤口表面的湿润环境[2,3]。而部分天然蛋白质因其具有良好的生物相容性、降解性以及促细胞黏附、增殖、迁移等优点可用做制备膜、海绵、水凝胶等各种形式的伤口敷料，既可以给伤口提供湿润的环境，同时激活部分内源性信号通路，加快细胞增殖及迁移速度，从而达到促进伤口愈合的目的[4]。本文将对天然蛋白质促皮肤伤口愈合的机制以及其临床应用进行综述。

2 天然蛋白质促皮肤伤口愈合

2.1 胶原蛋白

胶原蛋白（Collagen）是哺乳动物体内含量最多、分布最广的功能性蛋白质，广泛存在于皮肤、肌腱、软骨、骨、牙本质和结缔组织中[5]。自然界中的胶原蛋白由三条多肽链组成，呈三螺旋结构，也称胶原域。目前，根据功能及结构域同源性的不同，在脊椎动物中至少发现了29种胶原蛋白，其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型胶原蛋白是人体中最常见的蛋白，而I、III型胶原是皮肤真皮层细胞外基质（ECM）中最丰富的成分[6]。当皮肤受损时，伤口处的胶原蛋白暴露，激活凝血级联反应，形成纤维蛋白凝块，防止伤口出血。同时，I型和IV型胶原片段作为中性粒细胞的趋化因子，可以增强吞噬作用和免疫反应，并调节基因表达，进一步缩短炎症进程，加速伤口愈合过程[7,8]。血管生成作为伤口愈合过程中的关键阶段，研究显示，胶原蛋白可以通过microRNA信号通路促进抗炎、促血管生成的巨噬细胞表型的形成，并且I型胶原蛋白的c-前肽片段可以招募内皮细胞，促进血管形成[9]。另外，胶原蛋白除了调节细胞和ECM之间的细胞黏附和信号传导外，还有助于皮肤的柔韧性。胶原蛋白和弹性蛋白纤维取代了肉芽组织，旧胶原分解，新胶原形成，组织重塑。近年来，胶原蛋白因其良好的亲水性、生物相容性、灵活性、趋化性、生物降解性和极低的抗原性常被制成胶原蛋白基伤口敷料，在促皮肤伤口愈合领域有良好的应用前景[6]。这些胶原蛋白基伤口敷料可以创造一个湿润和舒适的伤口环境，通过消灭基质金属蛋白酶来加速伤口愈合[4]；也可以作为抗炎、镇痛和血管生成的增强剂，通过改变伤口周围微环境，刺激愈合级联反应发生，从而加速伤口愈合[4,6]。

2.2 明胶

明胶（Gelatin）是胶原蛋白水解产生的一种天然聚合物。明胶是一种聚两性电解质，含有约13%的带正电荷部分（赖氨酸和精氨酸），12%的带负电荷部分（谷氨酸和天冬氨酸），11%的疏水基团（亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸和缬氨酸），其余部分由甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸组成[10]。明胶作为胶原蛋白水解物，同样可以吸收伤口区域渗出物，为伤口提供湿性创面环境[11]。当伤口愈合进入增殖阶段后，明胶氨基酸链中的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）序列可以促进细胞迁移、黏附，特别是促进成纤维细胞迁移到伤口部位[4,11]。同时，明胶中大量的羟脯氨酸和脯氨酸也可以加速伤口愈合过程[12]。由于明胶与ECM结构相似，并具有细胞黏附序列（RGD），其常常作为伤口敷料用于促伤口愈合[13]。这类伤口敷料可以通过吸收渗出物来保持创面湿润，加速肉芽组织的形成，促进创面修复。与许多其他天然聚合物一样，明胶在水环境中的快速溶解和降解的缺点限制了其医学应用[4]。另外，猪源性和牛源性明胶由于其含有IgE也可能会引起过敏反应[14]。因此，如何设计一种既具有良好的生物相容性，同时又能在水环境中有较长的降解时间新的明胶基伤口敷料还有待进一步研究。

2.3 弹性蛋白

弹性蛋白（Elastin）是一种重要的细胞外基质蛋白，是弹性纤维的主要成分，主要存在于血管、肺、皮肤、韧带等部位，与胶原蛋白一起赋予组织弹性和抗张能力[15,16]。弹性蛋白具有较好的弹性、耐久性和抗拉强度，并具有独特的化学成分，含有大量的疏水氨基酸，如甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸和脯氨酸[17,18]。当皮肤受到损伤时，弹性蛋白合成增多，其表达受到胰岛素样生长因子-1、肿瘤坏死因子-α、转化生长因子-β等因子的调控[19]。同时，这些新合成的弹性蛋白片段被释放入ECM中，并可作为生物活性配体，诱导生物学反应的发生[19]。弹性蛋白不仅可以为皮肤提供机械弹性，还可以作用于细胞，减少伤口收缩，促进真皮的再生[16]。弹性蛋白在伤口愈合过程中发挥多种功能，因此，完整的弹性纤维网络对损伤后皮肤功能的恢复至关重要。弹性蛋白衍生多肽（Elastin-like polypeptides，ELPs）和弹性蛋白样重组体（Elastinlike Recombinamers，ELRs）由来自原弹性蛋白疏水结构域的Val-Pro-Gly-X-Gly（VPGXG）序列的重复单元组成（其中X代表一个客体残基，可以是除脯氨酸以外的任何氨基酸）[20]。ELPs/ELRs具有良好的生物相容性，无毒性和无免疫原性，可以影响某些特定的细胞信号通路，如皮肤成纤维细胞和平滑肌细胞的增殖，从而影响伤口愈合[21]。目前，弹性蛋白、ELPs和ELRs可以结合其他生物相容性材料通过静电纺丝、生物打印、水凝胶等方法被组装成模拟天然ECM的3D结构，增强细胞黏附、增殖和迁移，血管生成以及弹性纤维沉积，在创伤修复领域前景较好[18]。

2.4 角蛋白

角蛋白（Keratin）是一种通过二硫键交联的富含半胱氨酸的细胞骨架蛋白，主要存在于表皮、毛发、指甲、羽毛、牛角和羊蹄中[22,23]。角蛋白可以在皮肤上形成一层保护层，抵御外源性病原菌的侵袭以及一些机械损伤。角蛋白是上皮细胞表达的一种中间丝蛋白，可分为两类：I型角蛋白，也称酸性角蛋白（KRT9-KRT40）；II型角蛋白，也称为中性碱性角蛋白（KRT1-KRT8）。参与伤口愈合最重要的角蛋白是KRT16/KRT17-KRT6[24,25]。在受伤后的最初几个小时内，角蛋白可以聚集红细胞，起到快速止血的作用，同时，KRT16/KRT17-KRT6高表达，以促进角质形成细胞增殖而不是分化[26]。实验表明，缺乏KRT6a和KRT6b小鼠可在几周后死于大量的口腔上皮水泡以及营养不良，且KRT6a和KRT6b缺失的皮肤更容易受到破坏，KRT16的表达水平降低，细胞迁移能力及细胞间黏附性降低[27]。KRT-17缺失的角质形成细胞较小，与mTOR/AKT信号相关的蛋白翻译速度降低，直接影响角质形成细胞的增殖，不利于伤口愈合[28]。此外，角蛋白的氨基酸序列中丰富的Leu-Asp-Val和Arg-Gly-Asp序列也增强了胶原沉积、成纤维细胞黏附和角质形成细胞迁移能力[29,30]。由于角蛋白具有良好的止血性能，生物相容性和降解性，已被制备成薄膜、凝胶、涂层等多种形式应用于创伤修复领域[24,31,32]。当然，由于毛发、羽毛中的成分复杂，提取出的角蛋白的纯度也较差。因此，重组DNA技术是一种获得组分单一、高纯度的重组角蛋白产品的重要途径[30,33]。这类重组角蛋白相比于天然提取的角蛋白对止血、细胞增殖和迁移有更强的作用，未来的研究也可以集中在重组角蛋白伤口敷料的制备及其对伤口愈合的机制研究。

2.5 丝素蛋白

丝素蛋白（Silk fibroin,SF）是从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白，主要由二硫键连接的一条重链和一条轻链以及不同比例的丙氨酸、丝氨酸和甘氨酸组成，含量约占蚕丝的70%-80%[34]。SF具有良好的生物相容性和生物降解性、力学性能稳定、免疫原性低以及易于制备和改性等优点，可被制成丝素蛋白溶液、海绵、水凝胶和纳米纤维支架等多种形式，广泛应用于组织工程和再生医学等领域[34,35]。SF不仅可以通过调节其生物物理性能对细胞行为及组织再生产生影响，也可因其本身由氨基酸等化学分子组成的特性，提供生化信号来影响细胞行为和功能[34]。现有研究表明，SF不仅可以诱导干细胞黏附、增殖、分化，抑制体内各种形式的病理性黏附，还可以抑制凋亡途径，激活NF-κB，Wnt，Notch等细胞信号通路以及转化生长因子（TGFβ），丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）等信号通路,改变参与重塑和增殖阶段的蛋白的表达，各种通路和细胞协同作用共同促进创面愈合[36,37]。除此之外，最新的一项多组学测序研究首次全面揭示了SF对人间充质干细胞（MSCs）生物过程和信号通路的影响，发现SF可通过Integrin/PI3K/Akt信号通路显著增强间充质干细胞（MSCs）的旁分泌功能，涉及细胞外基质沉积、血管生成和免疫调控等组织再生关键过程[38]。同时，由SF介导的旁分泌信号可通过调节皮肤微环境中多种常驻细胞（包括成纤维细胞、内皮细胞和巨噬细胞）的行为和功能，从而有效促进皮肤再生。但丝素蛋白序列中不存在能破坏细菌细胞壁的活性官能团，因此其不具有抗菌性能，需要与其他材料联合应用，作为促伤口愈合敷料[39,40]。

3 天然蛋白质来源敷料的全球应用

部分天然蛋白质因其具有良好的生物相容性、降解性以及促细胞黏附、增殖、迁移等优点可用做制备膜、海绵、水凝胶等各种形式的伤口敷料，如表1所示。

表1 天然蛋白质基敷料

3.1 胶原蛋白基敷料

2019 年，全球胶原蛋白基伤口敷料市场价值约为9.26 亿美元，预计2020 年至2030 年将以5%的复合年增长率（CAGR）增长[7]。目前，胶原蛋白基伤口敷料主要有Biopad™，Promogran™，Puracol®和ColActive®等[4,41]。Biopad™是由100%I型马源性胶原蛋白组成，可用于烧伤和难以愈合伤口的治疗[41]。Promogran™是由牛源性胶原蛋白和氧化再生纤维素（ORC）组成，具有良好的吸水以及促伤口愈合性能，可应用于糖尿病足溃疡、下肢静脉溃疡等伤口的治疗[41]。实验证实Promogran™可以去除伤口中多余的蛋白酶，从而减少酶诱导的组织降解，促进组织合成[42]。Puracol®主要由牛源性胶原蛋白和Manuka蜂蜜（MH）组成，MH的加入有助于溶解伤口坏死组织，起到伤口清创的作用[43]。ColActive®含有90%猪源性胶原蛋白和10%海藻酸钠，对治疗全层缺损伤口有较好的效果[41]。

3.2 明胶基敷料

明胶由于其良好的止血性、生物相容性、低细胞毒性、低抗原性和刺激细胞附着和生长的能力[44]，大多数被制成海绵的形式广泛应用于外科止血，明胶基敷料包括Gelfoam®、Surgifoam®和SURGISPON®等。Gelfoam®是一种可吸收的、不溶于水、灰白色无弹性多孔的明胶海绵，用于新鲜的开放性伤口止血[45]。Surgifoam®是一类猪明胶来源的止血海绵，可用于伤口止血，但缺点是其可能成为细菌的生长基质[46]。SURGISPON®同样也是一类手术用无菌止血明胶海绵，可以与凝血酶或其他药物联合使用，为外科医生节省了宝贵的时间，加快了患者的恢复[4]。

3.3 角蛋白基敷料

近年来，新的基于角蛋白的伤口敷料的使用是临床实践中伤口管理的一种新方法。角蛋白基伤口敷料包括Keramatrix®，keragel®，ProgenaMatrix™等。Keramatrix®是一种富含角蛋白的生物敷料，可以通过刺激角质形成细胞和促进内源性角蛋白的产生来加速再上皮化，Davidson等人的实验表明使用Keramatrix®7天后的平均上皮化率为41%，而对照组39.5%[47]。keragel®是一种富含角蛋白的凝胶类敷料，其可以产生并维持一个湿润的伤口环境[24]。keragel®还可以是自身免疫性疾病患者的一种新的治疗选择。等人使用Keragel®治疗一名11岁的隐性营养不良性大疱性表皮松解症患者，治疗3个月后，皮肤有明显的改善，水疱的发生率更低，伤口逐渐愈合。ProgenaMatrix™是一种新型的、先进的伤口护理产品，是首个获得FDA认可的人类角蛋白基质产品，促进难以愈合的糖尿病足溃疡（DFUs）、下肢静脉溃疡（VLUs）和其他原因引起的难以愈合创面闭合[48,49]。

3.4 弹性蛋白基敷料

Matriderm®是由一种弹性蛋白水解物和牛胶原蛋白I、III、V组成的皮肤替代物。Matriderm®显著特征是其中的牛弹性蛋白成分，提高了伤口中重塑组织的生物力学稳定性和弹性[18]。研究表明弹性蛋白-胶原蛋白复合支架可以诱导大鼠中等水平的弹性蛋白沉积，而胶原支架不显示弹性蛋白合成。双手背侧严重烧伤的患者采用（中厚皮片移植）STSG+Matriderm®治疗，患者皮肤质量和弹性显著增加[50]。Glyaderm®是由胶原和弹性纤维组成，是第一个从人类同种异体皮肤中提取的非营利性皮肤替代物。广泛应用于全层缺损伤口，如全层烧伤[51]。一项临床研究表明STSG+Glyaderm®治疗全层缺损皮肤一年后，皮肤弹性恢复要优于单独的STSG治疗[51]。Megaderm™是另一种由弹性蛋白组成的新型脱细胞真皮基质，具有良好的生物相容性和耐受性，其多孔结构允许血管和结缔组织生长[52]。前瞻性多中心试验表明Megaderm™植入后可有效减少腮腺切除术后Frey综合征、耳下凹陷性畸形和初次咀嚼综合征的发生[53]。

3.5 丝素蛋白基敷料

目前，丝素蛋白基伤口敷料主要包括DRESSILK®和FIBROHEAL™等。DRESSILK®可用于浅表皮肤伤口（二度浅表烧伤），从而形成伤口屏障（最多30天）。一项临床研究比较了DRESSILK®与Suprathel®用于浅层皮肤烧伤的治疗效果，其结果表明用DRESSILK®处理的伤口能更快地恢复到与未受伤皮肤的类似的效果[54]。FIBROHEAL™是一种丝素蛋白和银复合的抗菌网状薄片，用于低至轻度渗出、感染的伤口，如一度和二度烧伤、供体和受体移植部位、手术部位、静脉溃疡、压疮、糖尿病溃疡和皮肤擦伤等[4]。

4 总结与展望

本文综述了天然蛋白质对伤口愈合的影响，这些天然蛋白因具有良好的生物相容性、降解性而被制备成各种形式的伤口敷料广泛应用于创面修复。但由于患者的年龄、健康状况不同以及损伤的部位、伤口的大小、形状也不同，定制个性化敷料或许可成为未来的治疗目标。近几年来，天然蛋白质在伤口愈合中的应用尽管已经进行了广泛的研究，但只有少数天然蛋白质基伤口敷料达到了商业化阶段。因此，需要对更多天然蛋白质基伤口敷料进行进一步的临床试验，研究其在各种皮肤损伤中的临床应用。另外，考虑到部分天然蛋白质存在提取困难、成本较高的缺点，一些天然蛋白质的衍生多肽，特别是小于10个氨基酸的短肽，由于其功能专一、成本较低等优势而有望在未来成为促伤口愈合的商业化医疗产品，为临床治疗提供新策略。