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S-亚硝基谷胱甘肽在创伤修复中的应用进展

2024-03-21 183 上传者：管理员

摘要：创伤修复的治疗对缩短恢复时间、减少患者痛苦和预防并发症至关重要。S-亚硝基谷胱甘肽(S-nitrosoglutathione, GSNO)作为一氧化氮的天然供体，具有抗菌、抗炎和促进细胞增殖的作用，已逐渐成为创伤修复再生领域的研究热点。因此，了解GSNO在创伤修复中的作用机制可为将来开发治疗创伤的新疗法提供有力的依据。该文总结了GSNO在促进创伤修复中的研究进展，重点描述其抗菌活性、抗炎症反应和促进细胞增殖等方面的作用机制，还阐述了GSNO治疗创伤修复研究中的应用，以期为后续的深入研究提供思路。

关键词：
S-亚硝基谷胱甘肽
一氧化氮
创伤修复
微纳米材料
水凝胶
细胞增殖
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GSNO是天然存在的内源性一氧化氮(nitric oxide, NO)供体[1],广泛存在于动植物中，由还原型谷胱甘肽(glutathione, GSH)和NO反应生成，细胞内的还原系统将GSNO再次催化成GSH并释放NO[2]。NO是精氨酸通过一氧化氮合酶(eNOS、nNOS或iNOS)产生的内源性气体分子，参与多种生理过程，包括血管生成、抗细胞凋亡、抗菌、血管舒张和免疫反应[3,4,5]。尽管NO具有多种理想特性，有望应用于临床，但NO的极短半衰期(3～4 s)限制了其治疗应用。GSNO作为NO的储存和转运形式，可以在S-N键的异裂或均裂裂解过程中释放NO[6]。

创伤修复作为人体正常的生物代谢活动，是通过止血、炎症、增殖和再形成这4个精准而高度程序化的阶段来完成的[7]。然而，这一过程受到多种因素的影响，如感染、年龄、药物及机体健康状态[8]。因此，伤口治疗的敷料可以通过与伤口环境相互作用，控制伤口感染，防止伤口发展为慢性伤口，并促进伤口自主愈合[9]。诸多研究表明，S-亚硝基谷胱甘肽(S-nitrosoglutathione, GSNO)可以通过发挥其抗菌、抗炎、促进细胞增殖等多种生物学功能促进创伤修复[1,10,11]。因此，GSNO被认为是具有治疗效用的潜在物质。迄今为止，已经在临床实验上验证了GSNO在病理背景下的治疗价值，主要集中在心血管疾病[12]。而GSNO用于治疗创面损伤的临床实验较少，投入临床仍需要进一步的科学评估和实验论证，以确保其安全性和有效性。本文综述了GSNO用于创伤修复的作用机制以及应用，为GSNO促进创伤修复的治疗提供依据，以期推动GSNO治疗相关药物的开发。

1、S-亚硝基谷胱甘肽促进创伤修复的研究

1.1 S-亚硝基谷胱甘肽促进创伤修复的作用

伤口被定义为由物理或热损伤引起的皮肤或粘膜上的破坏。根据愈合过程的持续时间和性质，把伤口分为急性和慢性[13]。急性伤口是由于事故或手术损伤而突然发生的皮肤损伤，可预测和预期的时间范围内愈合，这通常取决于损伤的大小、深度和程度[14]。慢性伤口则无法通过正常的愈合阶段[15]。因此，根据伤口的类型选择适用的敷料对伤口进行护理是十分重要的。GSNO由于其抗菌、抗炎和促进细胞增殖的性质而被应用到创伤修复的研究中，并且与生物材料进行组合将适用于多种类型的创面损伤。

目前，大多的实验是基于动物模型来研究GSNO在伤口愈合中的作用。Kavoos Razmjooee等将GSNO加载到羧甲基壳聚糖/海藻酸钠复合膜(CMC-ALg-GSNO)上，在大鼠模型中促进了糖尿病伤口愈合[1]。在大鼠缺血性创伤修复的实验中，GSNO治疗组显示出较高的伤口收缩率和上皮再形成率。与对照组相比，炎症细胞数量较少，胶原纤维密度和组织增加，新血管形成减少。这些结果表明，局部应用GSNO可有效治疗缺血性伤口，从而显著改善伤口愈合[16]。这也说明GSNO具有治疗缺血性糖尿病和静脉性溃疡的潜力。在受到耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的全层伤口小鼠模型中，也看到了GSNO治疗积极效果[17]。总而言之，GSNO在创伤愈合中促进细胞增长、调节炎症因子、加速创面缩小的作用已被充分验证。GSNO可以发挥多种生物学功能促进创伤修复，以下列举了GSNO的作用机制。

1.1.1 抗菌活性

伤口感染是一个棘手的全球性问题，每年花费数百万美元用于治疗[18]。它可能导致危及生命的并发症，诱发慢性炎症，导致创伤修复受损[19]。因此，解决伤口感染问题是促进伤口愈合的首要步骤。研究表明，包含GSNO的粉末敷料能有效减少耐药革兰氏阳性菌和阴性菌[20]。GSNO的抗菌活性作用主要是由GSNO释放的NO与活性氧(例如H2O2和超氧化物)反应生成的具有高度氧化反应活性的分子，它们对细菌的细胞壁、细胞膜、蛋白质和核酸等分子结构都具有强氧化作用[21],进而抑制细菌存活。如过氧亚硝酸盐(peroxynitrite, ONOO-)由NO和超氧化物反应而成，被认为通过与蛋白质的硝化反应进而影响蛋白质的结构、功能等，从而导致细菌死亡[22]。因此，GSNO是一种很有前途的治疗感染性创伤的制剂。

1.1.2 抗炎作用

伤口往往会发生炎症，尤其是慢性伤口。慢性伤口无法顺利通过有序的愈合阶段，而是停留在自我延续的炎症阶段[23]。GSNO作为炎症反应调节剂也逐渐成为热点领域，并且GSNO的抗炎作用已在几种与炎症相关的疾病中得到证实。例如哮喘、囊性纤维化和自身免疫性脑脊髓炎等[24]。在肺气肿小鼠模型中验证了GSNO可减少香烟烟雾诱导的炎症(IL-6/IL-1β水平)[24]。皮下植入GSNO涂层聚丙烯网片的小鼠中也可观察到炎症的减少[25]。GSNO能使巨噬细胞显著伸长并且促炎基因的表达显著降低[26]。GSNO主要通过下调NF-κB、粘附分子、细胞因子和诱导型NOS的表达来发挥其对损伤后的抗炎作用[27]。

1.1.3 细胞增殖

创伤修复过程涉及新细胞再生和迁移来重新覆盖受损区域。在探究GSNO作为伤口敷料的研究中，将GSNO与藻酸盐和聚乙烯醇组成的混合制剂，与对照组相比，设计的敷料导致人内皮细胞增殖增加3倍，此外，敷料处理的小鼠成纤维细胞的迁移和增殖速度也更高[28]。GSNO释放的NO能触发增强诱导培养的角质形成细胞和皮肤伤口修复过程中的血管内皮生长因子表达[29]。GSNO可以通过促进新生血管形成、改善胶原蛋白沉积、内皮细胞增殖和迁移等来缩小创面以修复伤口。

1.2 S-亚硝基谷胱甘肽与生物材料

GSNO是一个不稳定的化合物，容易降解，而且粉末状的GSNO不便于固定在创面上。因此，许多研究都集中在GSNO输送系统的开发上，通过控制GSNO的分解速率在治疗期间使化合物以恒定速率释放[30]。已有多种生物材料如水凝胶、聚合物、薄膜、纳米粒子、微球、软膏和血液接触装置等与GSNO结合共同发挥作用[31],对NO的释放速度和浓度进行了精准调控。此外，GSNO与生物材料的交叉组合可以带来许多优点，并增加其在各个领域的应用前景。

1.2.1 水凝胶

水凝胶是高度水合的交联聚合物，以类似矩阵的方式排列，可在其三维网络中保留大量水分(超过其干重的90%)[32]。常见的水凝胶天然聚合物包括胶原蛋白、藻酸盐、透明质酸、明胶、纤维素和壳聚糖。基于水凝胶的医用敷料是加速伤口愈合的理想选择，因为它们可以营造潮湿的环境并且防止伤口感染[33],并且适用于干燥的慢性伤口、坏死伤口、压疮和烧伤伤口[34]。在体外，GSNO可以通过GSH与等摩尔酸化(盐酸)的亚硝酸钠S-亚硝化反应合成的。在避光条件下，冰浴搅拌40 min。反应中形成的GSNO用丙酮沉淀，真空过滤，再用冷水和丙酮洗涤并冷冻干燥18 h。将获得高纯度的GSNO粉末[35]。负载GSNO的水凝胶显著增强了创面自主愈合的能力，主要表现在GSNO-水凝胶敷料具有良好的生物相容性，并能持续释放NO[36],体外抗菌活性实验表明，GSNO-PL/AL水凝胶对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌具有有效的抗菌活性，并且该材料可以促进胶原蛋白沉积[36]。含有GSNO的羧甲基壳聚糖-藻酸盐水凝胶，在糖尿病大鼠模型也验证了其促进伤口愈合的作用[1]。此外，水凝胶载体材料还具有高稳定性和延展性(适用在身体可弯曲区域的应用)。将来对GSNO-水凝胶敷料进行调整以满足不同的患者和创伤修复阶段的需求，将增大其应用领域。

1.2.2 微/纳米材料

近年来，由于微型颗粒的药物递送系统在提高药物递送效率和改善生物相容性方面显示出明显优势[37]。目前，微/纳米材料已用于多种临床应用[38]。负载GSNO的微/纳米材料为GSNO的应用开辟了新的可能。载有GSNO的PLGA微粒(GSNO-MP)可以在长时间(>7 d)内释放NO以促进耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染伤口的愈合，而无需频繁给药[17]。GSNO与可生物降解的聚合物聚羟基丁酸酯(polyhydroxybutyrate, PHB)和聚乳酸(polylactic acid, PLA)混合制备而成的纳米纤维，可减少约80%的黏附细菌，并有效改善细胞黏附和功能[39]。微/纳米材料的应用优势在于实现更准确的治疗，将药物通过微型材料传递到身体的特定部位。

1.2.3 其他生物材料

除了水凝胶和微/纳米材料等载体材料之外，还有许多生物材料应用于GSNO改善创伤愈合的治疗中。包含GSNO的电纺生物可吸收纤维显示支持细胞生长、附着和成纤维细胞的整体活性[40]。一种基于苯丙氨酸的聚(酯脲)电纺复合薄膜具有优异的热稳定性和耐化学性，与GSNO进行结合使其具有释放NO的能力，表现出良好的抗菌性能，并促进成纤维细胞增殖，增加胶原蛋白合成，加速伤口愈合过程等。这些研究有望为GSNO的伤口敷料提供一种策略，以支持GSNO在创伤修复中的应用[41]。总而言之，优化性能的GSNO生物材料具有良好的生物医学应用价值。

2、S-亚硝基谷胱甘肽在创伤修复中的应用

创伤修复是一个复杂的组织结构完整性修复过程，与细胞迁移和增殖、细胞外基质重塑、血管生成和再上皮化有关，通过紧密协调才能有效地修复受损组织[42]。严重的创伤会延长修复时间，甚至危及生命。同时，长期持续的炎性反应和创面感染会抑制创面愈合[43]。伴随着全球老龄化以及各种代谢障碍疾病发病率的增加，可导致愈合障碍和慢性、不愈合伤口的形成[42]。以下总结了GSNO促进创伤修复的应用研究，为今后的科学研究提供参考。

2.1 皮肤创面修复

皮肤专门与外部环境接触并提供各种重要的稳态功能，是主要的防御屏障[44]。皮肤创伤的修复通常分为四个阶段：止血、炎症、增殖和重塑[7],每个阶段的进行都影响着伤口愈合的进程。在探索GSNO促进皮肤创面修复的研究已证实其具有治疗应用潜力。掺入GSNO的水凝胶具有明显的止血效果[45],GSNO抗炎、抗菌和促进细胞增殖对皮肤创面修复的各个阶段具有积极作用。Amadeu P Thaís等在大鼠皮肤伤口修复的早期阶段局部应用含GSNO的水凝胶，可加速伤口闭合和再上皮化[46]。

2.2 肉芽组织再生

创伤愈合过程中肉芽组织的形成是一个关键阶段，其特征是血管生成、肌成纤维细胞分化和纤维增生[47]。GSNO处理过的伤口，与对照组相比，胶原纤维成熟度和组织得到改善，肉芽组织的表层和深层区域的炎症细胞数量较少[47]。

2.3 血管再生修复

创伤产生时，周围血管会遭受损伤，新生血管的生长是十分重要的，因为其能够提供养分和氧气，促进组织修复。Mushfiquddin Khan等研究表明，GSNO可以增强血管生成介质的表达来促进血管增长的数量[47]。在用包裹GSNO的水凝胶处理处理的动物的瘢痕组织中也能观察到血管生成增加[46]。

2.4 神经修复

创伤产生时，周围的神经纤维会遭受到损伤并导致神经功能障碍。因此，神经修复也是非常重要的一个方面。有研究探究了脑缺血和再灌注的大鼠实验中，GSNO通过HIF-1α/VEGF途径发挥其神经恢复/神经修复作用[48]。此外，GSNO能够通过调节NO信号通路促进神经元再生和轴突重塑，从而提高神经功能恢复[49]。创伤性脑损伤的大鼠实验显示GSNO可促进突触可塑性并增强神经营养因子的表达，并通过降低氧化代谢物的水平，保护神经血管单位，促进创伤性脑损伤的神经修复[50]。

3、问题与措施

3.1 存在问题

尽管目前在创伤修复研究已充分证明GSNO具有积极效果，但仍停留在动物实验层面，仍未被广泛用于临床治疗创伤愈合。GSNO治疗创伤的副作用和安全性还不完全清楚，这限制了GSNO在临床中的应用。此外，GSNO的生物学功能具有异质性，即GSNO显示对内皮细胞发挥抗炎作用，而在外周血单个核细胞和角质形成细胞中得到了矛盾的结果[51]。这意味着它不被所有类型的细胞有效地摄取利用，可能无法广泛地促进伤口愈合。GSNO敷料在设计上也存在一些挑战，如材料的选择、稳定性和释放速率等。

3.2 解决措施

为了提高GSNO的医用价值，还需要进一步开展大规模的临床试验验证和随机双盲实验来评估其安全性和有效性。GSNO易受到光、温度等因素的影响，因此在选择生物材料上需充分考虑GSNO的特性。在生物材料的选择和设计上需要精确配制，这会影响到治疗的时间、药物释放的浓度和速度。

4、展望

GSNO具有多种生物学功能来促进创伤修复。目前，GSNO与具有多种功能的生物材料结合具有抗菌、抗炎和促进细胞增殖的作用已经成为研究热点。GSNO在动物实验中得到广泛研究，但在临床实验中鲜有报道。未来，需要对GSNO在创伤修复中的作用机制、安全性和有效性进行更深入的临床评估。

基金资助:国家自然科学基金项目(82061138005);湖北省教育厅创新团队项目(T2020009);

文章来源:石嫒,贾含香,容德昌等.S-亚硝基谷胱甘肽在创伤修复中的应用进展[J].生物技术,2024,34(01):114-119.