放射性皮膚損傷相關機制及新型水凝膠和納米材料潛在療效研究的進展

王藝任，楊 蕾，周 平*

1.西南醫科大學護理學院，四川 646000；2.西南醫科大學附屬醫院

放射性皮膚損傷（radiation skin injury，RSI）是病人在接受放射治療期間的一種常見并發癥，放射治療誘發的皮膚炎癥往往會在放射治療1～4 周內出現[1-2]。已有研究報道，超過85%的放療病人有發生放射性皮膚損傷的經歷[3]。放射性皮膚損傷輕癥病人通常表現出紅斑、干性脫屑和濕性脫屑等癥狀，重癥病人則會出現皮膚潰瘍、出血、壞死等癥狀，嚴重者需考慮手術治療，增加了誘發感染的風險與病人的經濟壓力[4-5]。在該情況下，病人需中止放射治療，影響腫瘤治療療效及進度，對病人的生理和心理健康造成極大的不良影響[6]。因此，亟須探明放射性皮膚損傷的相關病理機制，并針對相關機制開展針對性的藥物研發至關重要，基于目前組織工程學的發展，相關新型材料也開始運用于皮膚損傷治療領域且取得了較多的進展。本研究就放射性皮膚損傷的相關機制以及新型水凝膠與納米材料的探索研究進行綜述。

1 放射性皮膚損傷相關機制

1.1 皮膚纖維化

放射性皮膚損傷的病理生理反應包括干濕性脫屑、難愈性潰瘍、皮膚萎縮、毛細血管通透性增加和纖維化[7-8]。輻射誘導的皮膚纖維化是一個復雜的過程，主要歸因于促炎細胞因子和促纖維化細胞因子的失衡，纖維細胞衍生的肌成纖維細胞通過不斷合成細胞外基質（ECM）,分泌I 型膠原蛋白和α-平滑肌肌動蛋白促進纖維化的發展[9]。細胞外基質的合成和沉積以及成纖維細胞的積累被認為是皮膚纖維化的特征[10-12]。組織損傷的修復和纖維化涉及多個分子和信號通路，如轉化生長因子（TGF）-β 和Wnt/β-連環蛋白[13-14]。輻射誘導的TGF-β 在皮膚組織中以輻射劑量依賴性方式表達[15]，TGF-β 與其受體結合形成三聚體復合物，導致組織纖維化[16]。TGF-β/Smad 通路是參與皮膚纖維化的重要信號通路。活化的Smad 蛋白導致細胞核易位，激活特異性轉錄，并引發細胞核纖維化[17]。活化的TGF-β 通過磷酸化Smad2/Smad3 蛋白來調節纖維化靶基因，當前TGF-β 信號通路已作為治療放射性皮膚纖維化的靶點[18]。多項研究在生物學和動物實驗層面驗證了通路調控放射性皮膚纖維化的重要功能[19]。

1.2 氧化應激反應

輻射誘導的皮膚損傷表現為慢性炎癥狀態和活性氧（ROS）合成增加。電離輻射由于使水的放射性分解促進了活性氮和活性氧的合成[20]。上述反應可誘發氧化應激反應和細胞毒性，從而引起急性或慢性皮膚損傷，因此使用抗氧化劑可以減少輻射的損害[21]。一氧化氮（NO）對皮膚功能的平衡至關重要，并已成為特定病理條件下的治療靶點[22]。在哺乳動物中，NO是由L-精氨酸、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）以及NO 合成酶（NOS）在氧氣中合成的，5,6,7,8-四氫生物蝶呤（BH4）作為NOS 的重要輔助因子[23]，而活性氧的合成可能會阻礙BH4 的作用，從而引起NOS 活性降低，最終導致人體皮膚表面的NO失調，增強了皮膚的炎癥反應[24]。

1.3 簇狀脫氧核糖核酸（DNA）雙鏈斷裂

電離輻射可通過與DNA 的直接作用產生ROS，H2O 電離產生的羥基自由基（-OH）可間接地損傷DNA[25]。在哺乳動物細胞中，1 Gy 劑量的X 射線會誘發數千個單鏈堿基損傷和單鏈結合蛋白（SSBs），以及約40 個雙鏈結合蛋白（DSBs）的損傷[26-27]。

雙鏈結合蛋白損傷是最危險的DNA 損傷之一，原因是與單鏈損傷不同，單鏈損傷有一條未受損的互補鏈作為修復模板；而雙鏈結合蛋白則缺乏這樣的模板。雙鏈結合蛋白修復可以在沒有模板的情況下，通過經典型非同源末端連接（cNHEJ）或選擇性非同源末端連接（aNHEJ)發生。cNHEJ 一般會在修復連接處產生相對較短的缺失或插入突變，而aNHEJ 會產生較大的缺失以及染色體易位和其他大規模的染色體重排[28-32]。隨著DNA 損傷的復雜性從孤立的單鏈病變到集群的雙鏈病變的增加，修復效率和準確性下降，突變和細胞毒性增加從而促進放射性皮膚損傷的發展。

1.4 輻照細胞及細胞自噬

自噬是包括輻射暴露在內的各種細胞創傷中細胞存活的重要循環機制之一。自噬過程是決定受輻照細胞狀況的主要因素，而輻照細胞又通過多種途徑進行調節，包括線粒體膜電位改變、鈣離子（Ca2+）水平升高、DNA 損傷和內質網應激[33]。由于其主要具有促生存特性，自噬通常被認為是受輻射細胞的一種保護策略[34]。自噬過程具有類似于p53 的多態性，p53 也參與細胞生存（通過促進細胞周期停滯和DNA 損傷后的DNA 修復）和細胞凋亡（通過在損傷程度過高時誘導細胞凋亡）[35]。由于自噬是決定受輻照細胞命運的一個重要因素，自噬的修飾劑可被視為潛在的放射性皮膚損傷修飾劑，可用作拮抗劑作為癌癥放療的輔助治療[36]。

2 潛在水凝膠材料的研究

隨著組織工程學的發展，制藥領域也產生了巨大的進步，近年來產生的成就是通過新型材料載體負載生物或藥物分子，這些載體的發展使藥物在常規給藥方法無法到達的人體某些部位進行釋放成為可能。水凝膠負載相關藥物促進創面愈合的研究已被用于實驗之中。研究者們正致力于探索能夠緩釋藥物、促進創面修復的水凝膠[37]。

2.1 透明質酸(HA)水凝膠

HA 是一種非硫酸化糖胺聚糖（GAG），是皮膚細胞外基質（ECM）的主要成分，其參與炎癥反應、血管生成和組織再生過程，由于HA 的固有特性（如生物相容性、生物降解性和親水性），已被作為一種敷料在傷口中應用[38]。不同分子量的HA（由聚合鏈的裂解產生）對傷口有不同的影響。高分子量（HMW）-HA 有抗炎作用，通過控制炎癥細胞的招募、細胞因子的產生和干細胞的遷移發揮抗炎作用[39]。但HMW-HA 還可以抑制內皮細胞的生長以及限制營養物質的供應，不利于皮膚的再生過程[40]。此外，HMW-HA 可以與單核細胞和粒細胞表面的CD44 受體相互作用，HMW-HA-CD44 的相互作用可以影響各種控制生物過程的細胞內信號通路，如血管生成、細胞遷移、增殖和對ECM 成分的黏附，消除細胞內ROS，減少DNA損傷[41]。因此，HA 水凝膠可能為預防或治療放射性皮膚損傷的潛在材料。

2.2 殼聚糖水凝膠

殼聚糖是一種天然的陽離子聚合物，由殼聚素脫乙酰化而來[42]，作為傷口管理的生物材料已引起人們的關注[43]。這種生物活性聚合物存在于海洋甲殼類動物、真菌和昆蟲中，被認為具有生物相容性和生物可降解性[44-45]，并證實具有內在的抗菌[46]和傷口愈合特性及抗氧化功能[47]。因此，殼聚糖已被用于制備各種藥物制劑且具有固體和半固體及液體形式[48]。此前已有研究發現，在皮膚局部治療中基于脂質的給藥系統與皮膚結構有潛在的相互作用[49]，同時也是溶解度較低的物質的溶解劑[50]。此外，可以通過在傷口表面涂抹或加入生物活性聚合物來加強脂質的囊泡、脂質體的抗菌潛力，以同時改善傷口愈合和抗菌性與抗氧化性[51]。由于放射治療中所產生的皮膚損傷其中具有氧化性和產生大面積傷口的特點，因此，殼聚糖對治療放射性皮膚損傷所產生的氧化應激反應或傷口感染等問題有巨大的價值。

3 潛在新型納米材料的研究

3.1 銀納米顆粒(AgNPs)

銀納米顆粒已經獲得了科學界的極大關注，促使人們對其物理、化學和生物特性、機制以及在醫學和非醫學領域的用途進行了廣泛的研究、闡釋。作為抗生素治療的一種可行的替代和輔助手段，納米顆粒適合于對抗多藥耐藥性細菌[52]。由于其獨特的結構、濃度和與細菌細胞表面建立接觸的模式，雖然迄今為止許多研究已經探索了各種潛在的作用機制，但仍有部分效用未被查明。有研究認為，由于其尺寸和形狀，銀納米顆粒具有較大的表面面積與體積比，可以使納米粒子附著在細菌等微生物的表面，增加其滲透性，并致使膜溶解[53-54]。滲透性的增加也可能使銀納米顆粒更容易穿透微生物，殺傷細胞內的生物體，包括線粒體和核糖體，并破壞生物大分子，如蛋白質和DNA[55-56]。重要的是，許多研究已經探明了銀納米顆粒的抗生物膜活性，其通過利用孔蛋白防止糖復合物的形成，并具有增強常用抗生素對革蘭陽性菌和革蘭陰性菌的作用。

3.2 金納米粒子

近年來，金納米粒子因其輻射增敏功能而被廣泛用于腫瘤放射治療領域[57]。研究發現，由于金納米粒子的滲透性和滯留作用以及較低的全身清除率，其將優先沉積在腫瘤血管部位，對正常毛細血管和血管的滲透性較低，因此在腫瘤組織中產生高的局部電離，從而縮短治療時間并減少輻射劑量[58-60]。因此，健康組織吸收的輻射劑量減少，減少ROS 和DNA 損傷的產生，可以有效減少皮膚纖維化和各種不良反應的發生。而且由于其表面積與體積比高，允許藥物和其他治療劑附著在其表面，可用于腫瘤的靶向和聯合治療[57,59,61]。Ponnanikajamideen 等[62]發現，金納米粒子對自由基的抑制作用可以有效地促進糖尿病大鼠的傷口愈合，所以金納米也是應用于治療放射性皮膚損傷的潛在材料。

3.3 過氧化鋅納米粒子

有研究通過共沉淀法設計并合成過氧化鋅納米顆粒。這種納米粒子是一種具有抗菌性能的高效無機材料。二氧化鋅納米顆粒對從燒傷病人的傷口感染組織中分離出來的銅綠假單胞菌和曲霉菌具有良好的抗菌活性。組織病理學評價的結果證實，過氧化鋅納米顆粒可以加速體內動物模型的皮膚傷口愈合[63]。

4 小結與展望

近年來，放射性皮膚損傷的相關研究取得了許多進展，但仍需要解決以下問題：1）放射性皮膚損傷的發生機制十分復雜，涉及面廣泛，需對分子與細胞結構以及信號通路等機制進行進一步探索。2）納米材料與水凝膠材料被已被證實是一種良好的藥物載體并具有輔助藥物治療的效果，但納米材料與水凝膠和藥物聯合藥物制備運用的相關研究較少，是一項潛在的新興領域，如銀納米粒子具有極強的抗菌作用，但顆粒的表面結合親和力差，而水凝膠支架被認為是一種有效的藥物輸送載體。為了使水凝膠支持傷口愈合，應保持平衡的水分、氧氣和化學交換[64]。水凝膠的交聯3D 結構和聚合物的親水網絡使其能夠充當吸水支架，水凝膠在藥物輸送、組織工程和抗菌劑方面表現出優異的性能使其在醫學領域引起了廣泛關注[65]。盡管已經對各種水凝膠的負載功效進行了大量研究，但還不足以比較不同類型的水凝膠支架以提出最有效和最穩定的納米粒子遞送環境,因此水凝膠與納米粒子的結合運用有待進一步研究。未來可通過納米顆粒和水凝膠的結合，確定水凝膠的最佳降解速率并降低納米粒子的毒性，以實現更快的傷口閉合。3）綜合護理方法，針對病人進行健康宣教、心理護理、飲食護理、照射野皮膚護理，并采取及時的、個性化護理干預措施，減少放射性皮膚損傷的發生率和嚴重程度，以此將取得更加良好的保護效果。4）開發放射性皮膚損傷預防的相關藥物，在預防階段，應該首先關注減少輻射對DNA 的直接損傷，抑制活性氧自由基的產生，減少炎癥因子的釋放，以降低皮膚損傷的風險。