梁媛媛 许佳捷 郭 鑫 梁合鹃 江 键

（海军军医大学卫生勤务学系数理教研室，上海 200433）

当皮肤完整性受到破坏时，伤口内会产生内源性电场，对创面各阶段的愈合均有促进作用[1]。外源性电场可以协助对创面进行治疗，温和的电流更有利于促进皮肤成纤维细胞排列(伤口愈合过程中的关键步骤)，并产生促进组织生长的化学物质[2]。美国国家航空航天局(NASA)在2016年研发出一款聚偏二氟乙烯(PVDF)新型绷带，其与人体皮肤接触时，会产生少量电流，有助于加快伤口愈合。随着对伤口愈合过程认识的逐渐加深，对慢性创面治疗的关注已从单纯的清创、局部敷料治疗发展到较为复杂的创口微环境的治疗[3]。近期国内外研究者采用了多种手段提供外源性电刺激，以调控慢性伤口微环境的生长过程，并在伤口组织的形态学改变、分子生物学机制研究等方面发表了大量有价值的文献，讨论了电刺激疗法加速皮肤创面愈合的现状和前景。

1 伤口组织的形态学及其内源性电场

创面愈合过程主要分为炎症期、增殖期、重构期3 个阶段，这3 个阶段受到多种细胞、细胞因子和生长因子的调控。

以皮肤伤口愈合的过程为例，皮肤受损后，血小板被刺激而在受损部位聚集，同时形成由红细胞、血小板和交联纤维蛋白网络组成的纤维蛋白凝块，促进止血，并分泌生长因子、细胞因子以及其他凝血连锁反应所需的凝血因子，凝血因子和血小板激活了炎症反应（期）。该期的主要特点是5-羟色胺、组胺和生物活性因子的释放，导致毛细血管通透性增加，进而吸引炎症细胞进入伤口区，包括中性粒细胞和巨噬细胞。在巨噬细胞的帮助下，伤口部位的中性粒细胞对防止细菌感染发挥了主要作用。

组织再生是增殖期的主要特征，此时成纤维细胞、上皮细胞和内皮细胞迁移、增殖，形成新的上皮、肉芽组织和血管。

重构期包括伤口收缩和重塑，这一阶段可能会造成皮肤瘢痕。各种全身或局部的因素可能干扰伤口微环境，阻碍修复过程，使有些伤口无法及时、有序地愈合，甚至持续超过6 周以上而不愈合。常见的病理因素包括：①糖尿病患者持续高血糖，导致细胞功能异常；②静脉功能不全，导致局部组织缺血、缺氧；③细菌形成生物膜，使巨噬细胞和抗生素无法发挥作用等[4-6]。此时，巨噬细胞释放大量的蛋白酶和毒性氧自由基，造成组织细胞、细胞外基质和生长因子等的损伤，最终导致慢性伤口中肉芽组织发育障碍，表皮细胞也无法迁移，伤口愈合停滞。增生性瘢痕和瘢痕疙瘩，均为过度愈合反应的结果，与长时间的炎症期有关；而溃疡或慢性伤口则是愈合不良反应，可见蛋白水解酶活性增加、细胞增殖和迁移受损。

自从18世纪末Luigi Galvani第一次开展电生理学实验开始，人们发现生物电在生物体内普遍存在，生物电是由细胞膜上的钾、钠等离子通道、泵和突触产生的内源性电信号[7]。膜内、外离子的不均匀分布是产生细胞生物电的基础。人体相当于一个大电容，完整的皮肤则有高达100 kΩ的阻抗，具有相对较高的电阻。当皮肤层在任何类型的伤口中受损或被破坏时，皮肤的电阻立即下降或消失，由此产生上皮细胞的离子定向转运，形成跨上皮电位（trans-epithelial potential，TEP），后者产生的电场在伤口边缘相对于较深处组织显示为带负电[8]。许多参与伤口愈合反应的关键细胞对TEP产生的电场敏感，包括成纤维细胞、软骨细胞、角质形成细胞、内皮细胞、上皮细胞、成熟巨噬细胞和粒细胞等。TEP电场是这些细胞向伤口表面移动以及分化、分裂和增殖的信号[9]。

Fieldst用甘汞电极技术测量人体皮肤电位，证明向伤口移行的上皮细胞、胶原纤维来自于伤口周围大约0.5 mm范围内的正常未受损皮肤，而且在外加电场的作用下，受电位差的驱使，细胞膜上的带电分子可通过被动电泳和主动极化向伤口移行，胶原纤维也做同样的取向运动，而这种移行所需电流则相当低[10]。

有研究表明，皮肤创面内源性电场的产生尚与极化的上皮细胞对离子的定向转运有关：上皮细胞的Na+和Cl-通道与K+通道和Na+/K+-ATP酶不对称分布，产生了穿过细胞膜的离子流（电流）。由于损伤部位与伤口周围正常皮肤之间存在电位差，可有低强度的直流电从正常皮肤流向伤口，这种创面电流是由表皮损伤后TEP短路引起的[11]。皮肤伤口的Cl-和Na+泵在维持伤口的电势方面起着非常重要的作用[12]。

2 电刺激技术的种类

不同课题组采用的电刺激类型、波形和治疗持续时间各不相同，主要是与电刺激装置的不同密切相关。目前常用的电刺激装置多为能产生不同类型电流的传统电刺激装置[13-14]，如直流电源（输出直流）和信号发生器（输出交流电源、脉冲电源等）等。其刺激源从直流电扩展到非直流电，如高压脉冲电刺激 （high voltage pulsed galvanic stimulation，HVPGS）由于其独特的波形特征及其对伤口愈合的肯定作用，自20 世纪70年代以来在国外得到了广泛应用。

传统的外源性电刺激治疗装置虽然在伤口治疗中取得了良好的效果，但其体积较大，操作繁琐，不易携带，患者只能在医院等特定场所接受治疗。因此，研究人员提出了许多改进电刺激治疗设备的新方法[15]，以实现电刺激设备的小型化、低成本、便携性、安全性等。

3 电刺激对皮肤伤口愈合的影响

为了明确伤口电位变化对伤口愈合过程的影响因素，研究人员通过改变伤口电场强度继而改变离子转运，进而改变伤口电位的强度。一些研究证明生物电的存在可以通过加速关键细胞的迁移，调控细胞行为，促进组织再生和加速伤口愈合的过程[16]，并提出了伤口电位影响伤口愈合过程的一些可能机制。

3.1 抑菌作用

无论是大肠杆菌还是绿脓杆菌感染的兔皮肤伤口，低强度电流均有抑菌作用，尤其在阴极作用的效果更显著。其可能机制是：①单细胞微生物受持续性电刺激后，其内稳态受到破坏，加速达到死亡点；②细胞内破坏包括不可逆的酶处理过程[17]。研究表明，驻极体作为一种无需外电场的存在而能够永久保持电极化状态、产生静电效应的电介质材料，可以抑制细菌生长和杀灭细菌[18]。

3.2 破坏细菌生物膜，减少感染

Pirbadian 等[19]研究认为，细菌膜电位与细胞外电子转移（EET）密切相关。增加电极电位和相关EET 电流会导致更负的膜电位。EET 诱导的膜超极化在空间上仅限于与电极接触的细胞和近电极区（<30 μm）内，其中超极化随着细胞-电极距离的增加而衰减。这一结果将对用生物电化学系统进一步研究伤口组织微生物群落中潜在的复杂活动空间模式具有更进一步的指导意义。Stratford 等[20]认为，细菌的跨膜电压在电信号调节细胞增殖中起着核心作用。他们通过一种外源性电刺激和单细胞延时显微镜的装置，研究细菌增殖状态对电信号的反应，发现细菌增殖和被抑制时对相同电信号的反应方向相反。2.5 s 的电刺激会导致未受抗生素处理细菌细胞的超极化（对细胞内K+和K+通道缺失的测量表明，超极化反应是K+通过K+通道流出引起的），而当细菌被抗生素处理时，电刺激仅诱导去极化。

3.3 影响组织形态

研究者还在小鼠背部皮肤上制造人工伤口，并对比了外加离子电流和无外加离子流的情况下伤口愈合7 d 内伤口的大小。皮肤切片H-E 染色显示，外加离子电流会导致伤口愈合得更快、更平滑[21]。外源性电信号促进伤口愈合的可能机制是其利用损伤电位促进伤口胶原合成及上皮再生，如Jeong 等[22]在对正常人和糖尿病患者皮肤成纤维细胞的研究中，证明电场可以加速体外细胞迁移、增殖和血管生成生长因子的分泌。阳极直流电刺激可通过提高内源性电场的恢复速度，引导上皮细胞加速创面闭合，以加快表皮的形成。

进一步研究表明，外源性电信号对伤口愈合起促进作用还是抑制作用可能与电荷极性有关。向伤口处施加连续、稳定和耐受的外加电场（EF），伤口中心施加负极，伤口周围施加正极，可为角质形成细胞向伤口中心迁移提供方向信号。在与生物电场相同的方向上施加100 mV/mm 的EF 可加速伤口愈合，角质形成细胞呈现规则和相似的形状、均匀的排列方式和有组织的迁移模式。相反，向生物电场施加100 mV/mm 逆流，则延迟伤口愈合，阻碍角质形成细胞向伤口中心迁移。此外，这些细胞组织混乱、畸形、不规则、方向混乱[23-26]。

正极性驻极体联用5-氟尿嘧啶可以增强对细胞分裂的抑制作用，并且进一步减缓成纤维细胞的增殖，从而抑制瘢痕增生。其作用机制可能是由于驻极体能通过促进凋亡基因的表达来增强对成纤维细胞的凋亡作用，两者联用对增生性瘢痕的生长抑制具有协同作用，而负极性驻极体可以通过抑制炎症反应改善瘢痕组织的微循环等方式，抑制瘢痕形成[27]。此外，电刺激可以改变瘢痕的厚度、硬度，深层瘢痕中的胶原沉积与电刺激强度呈正相关[28-30]。

3.4 影响血液循环

电刺激或有助于血管将白细胞和氧气输送至伤口，加速伤口愈合。俄亥俄州立大学科研人员发现，稳定的电刺激可使血管通透性显著增加，通过血管输送的氧气和白细胞，使活性分子和细胞在血管壁上移动，以促进愈合[31]。

驻极体也可使伤口微静脉扩张，从而使微循环的血流速度加快，并改善毛细血管及微动脉的血流。烫伤小鼠经驻极体作用后，其血液黏度和红细胞压积与对照组比较也有显著变化。驻极体不仅可以调节血管张力，使血流加快，还可以使红细胞聚集减少，红细胞压积降低，血液浓度减小，血栓形成明显减少。研究者推测其可能机制是驻极体可以增加血管内皮细胞和血液中有形成分的带电量，从而减轻血管内水肿[32-34]。

伤口修复和组织再生是一个涉及诸多信号的复杂过程。电信号存在于生物体新陈代谢的全过程，已有大量研究证明外源性电刺激可影响伤口内源性电信号，并引起后续一系列生物信号的改变。因此，采用新技术协调生物体组织和电信号的相互作用，将对促进组织再生具有重要意义。通过医学、物理学、生物医学工程等不同领域科学家的密切合作，深入研究、全面了解生物电信号与伤口组织的相互作用机制，是该领域面临的挑战和未来的发展方向之一。