組織修復是指外傷或其他疾病過程中, 造成組織缺損后局部組織通過分裂增生等方式進行修補的一系列復雜的病理生理過程。這一過程涉及細胞運動、黏附、增殖和分化等細胞生物學的各個方面, 主要是由進入傷口的成纖維細胞增殖、分化和合成分泌, 細胞外基質的纖維化, 新生血管長入傷口的血管化和表皮細胞增生覆蓋創面的再上皮化等綜合作用的結果。1843年, 人們首次發現在受損皮膚周圍存在內源性電場。近年來, 借助分子生物學、遺傳學以及活體成像等技術, 證實內源性生理電場在傷口愈合、組織再生以及胚胎發育階段都具有十分重要的生物學意義。然而, 在體實驗較體外實驗復雜并受一定條件的限制, 因此, 需要借助外源性電場來模擬內源性電場。實驗研究顯示, 外源性電場對多種組織修復具有重要影響, 主要包括傷口愈合、骨愈合、神經修復和血管再生等。近年來, 國內外學者對電場影響細胞行為從而促進組織修復進行了不斷地探索, 以期了解電場影響細胞行為的機制, 從而為疾病的臨床治療和診斷提供新的策略。本文主要就外源模擬的電信號對組織修復過程中細胞行為的影響進行簡要綜述。

1 外源性電場對傷口愈合的作用

傷口愈合是指皮膚等組織出現離斷或缺損后,機體會出現非常協調的愈合過程, 包括多種細胞、細胞因子和細胞外基質錯綜復雜的網絡作用, 并涉及了細胞遷移、分裂和增殖等一系列行為。參與傷口愈合的細胞主要包括各種炎癥細胞和組織修復細胞等。

大量研究顯示, 模擬的外源性電場可以通過指導細胞分裂、增殖和定向遷移來控制傷口愈合, 從而發揮其生物學效應。研究發現, 在角膜傷口修復過程中, 不管是散在的單個角膜上皮細胞還是由成群角膜上皮細胞組成的細胞片均向負極遷移, 且外源性生理電場可加快角膜上皮細胞的運動速率。而在一定強度的外源性電場中, 晶狀體上皮細胞因來源和電場強度的不同表現出雙向遷移的特點。例如, 牛晶狀體上皮原代培養細胞在電場中向正極遷移, 而人晶狀體上皮原代培養細胞則向負極遷移。牛晶狀體原代培養細胞在電場強度為150~250 mV/mm時向正極遷移, 而在50 mV/mm的低場強下向負極遷移。Li等的研究發現, 電場可指導表皮干細胞向負極定向遷移, 從而促進傷口愈合過程。此外, 電刺激也能促進皮膚成纖維細胞的增殖和遷移, 增加生長因子的分泌, 以及促進成纖維細胞分化為肌成纖維細胞, 從而促進傷口愈合。更為重要的是, 當其他引導信號同時作用于角膜傷口時, 細胞優先感知生理強度的電信號。該現象表明, 電信號在傷口愈合過程中對細胞的定向遷移發揮主導作用。組織修復和再生過程中還涉及細胞形態和軸向的動態變化。

有研究顯示, 成纖維細胞、晶狀體上皮細胞、角膜上皮細胞、角膜內皮細胞和血管內皮細胞等許多類型的細胞長軸都受外源性電場的誘導, 垂直于電場方向, 并且該過程還伴隨著細胞的延伸。

研究者們用培養的細胞單層傷口模型證實了外源性電場在傷口愈合中的作用。實驗通過人為的“刮傷”形成新鮮傷口, 并給傷口施加一個外源性電場, 電場極性決定傷口周圍細胞的遷移方向, 從而調節傷口的愈合或擴大。此外, 在體實驗也證明,持續性電刺激\\(500 mV/mm2\\)在絕大多數情況下可以加速兔糜爛角膜上皮的形成, 且電場作為糜爛愈合的刺激因子, 在上皮損傷的最初兩天效果最明顯。

越來越多的研究表明, 電刺激可抑制炎癥并加速傷口愈合, 這為治愈復雜和頑固的傷口等提供了一個獨特的治療方法, 但目前還需要嚴格的臨床試驗來確定電刺激的方式、電壓大小和作用時間。

電場在傷口愈合中的作用機理目前尚不十分清楚, 有證據顯示, 外源性電場通過誘導細胞內F肌動蛋白的非對稱聚合以及激活細胞外調節激酶\\(extra-cellular signal-regulated kinase 1/2, ERK1/2\\)信號通路和磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B\\(phosphatidylinositol-3-kinase/protein kinase B, PI3K/Akt\\)信號通路來指導細胞定向遷移, 最終促進皮膚傷口愈合。若抑制上皮生長因子受體、ERK1/2和PI3K, 將會抑制F肌動蛋白在負極的分布和表皮干細胞的趨電性反應。

2 外源性電場對骨愈合的作用

骨愈合是骨折或骨缺損的修復過程, 其實質是骨損傷后的再生過程。在理想情況下, 修復過程結束后, 只有骨組織的重建而沒有瘢痕形成。而調查研究發現, 仍有5%~10%的病人在骨愈合過程中受到破壞, 導致骨愈合延遲或者骨不愈合。研究顯示, 外源性電場有望成為一種促進骨愈合的治療方法應用于臨床。

20世紀50年代初, 日本學者Yasuda和Fukada提出壓電效應, 認為機械壓力作用于骨后, 會引起骨表面電位發生改變, 并證實產生的內源性電場, 可促進骨形成。該理論提出了刺激內源性電場的產生會增強骨愈合, 基于此觀點, 隨后的研究發現, 使用電刺激是增強骨愈合的有效方法之一。Ham-merick等發現, 細胞在受到電刺激時細胞骨架發生重排, 并且電場在脂肪衍生間質細胞的骨生成中起促進作用。Zhao等的研究也發現, 生理強度的外源性電場可控制和加強骨髓間充質干細胞在骨愈合過程中的遷移, 促進骨形成。有研究認為, 電場能促進離子穿過細胞膜, 從而促使細胞遷移和移位, 這可能就是電場促進骨生成而應用于治療方面的主要優勢。然而, 有研究者曾指出, 電場誘導的骨重建可能會改變間充質干細胞的功能, 從而可望預防和治療隨年齡增長而引起的病理性骨疾病\\(如骨質減少和骨質疏松等\\), 這為電刺激更好地促進骨愈合提供了新思路。Hwang等的進一步研究表明, 與單層培養的細胞相比, 電刺激明顯增加了三維培養的人類間充質基質細胞中趨化因子受體\\(chemokine receptors、CXCR4和IL-8RB\\)的表達, 通過CXCR4和IL-8RB調節人類間充質基質細胞的功能從而增加體內組織再生。因為培養于三維系統的細胞比單層培養的細胞能更精確地反映活體內的變化, 所以這些結果為電刺激應用于活體內組織的再生研究提供了可靠依據。

此外, 細胞的增殖和分化是骨愈合過程中必不可少的生物學過程, 而外源性電場對骨細胞的增殖和分化同樣具有顯著影響。研究發現, 脈沖電場可以通過調節鈣離子、鈣調素和cGMP的生成而改變組織內NO的水平, 最終通過NO的信號轉導途徑促進軟骨細胞的增殖。電刺激還能促進成骨細胞的增殖和分化, 并增加骨形態生成蛋白\\(bone morphogeneticprotein 2, BMP-2\\)的表達。進一步研究表明, 直流電場和BMP-2對成骨細胞增殖、分化和成熟具有協同效應, 從而增強骨生成。因此, 外源性電場在以細胞為基礎的骨骼再生過程中具有重要的作用。

目前, 在矯形外科領域, 以外源性電場來促進難愈合骨損傷的康復治療也取得了一定進展。有研究指出, 交流電刺激可以加速骨折端新生骨的成熟, 以及促進新生骨之間的連接, 因此交流電刺激輔以外部固定是用于預防關節粉碎性骨折術后畸形的有效手段。

3 外源性電場對血管再生的作用

血管再生即新血管的形成, 是通過分化的內皮細胞的增殖、遷移, 從已經存在的血管中衍生出新的毛細血管的過程。血管再生參與許多生理和病理過程, 如在胚胎發育、損傷修復、腫瘤和一些心血管疾病發生過程中都起著至關重要的作用。而血管再生過程依賴于血管內皮細胞的一系列生物學行為, 包括細胞增殖、定向遷移和定向排列等。

有研究顯示, 暴露于電場強度為150~200 mV/mm的直流電場中, 血管內皮細胞向正極發生定向遷移。

但當電場強度大于200 mV/mm時, 細胞的定向遷移反而會降低。Wang等的研究也顯示, 與未受電場暴露的對照細胞相比, 在外源性電場\\(200 mV/mm,72 h\\)作用下, 血管內皮細胞的增殖受到明顯抑制, 表現出細胞密度、細胞生長率和有絲分裂指數明顯降低。但在電場強度為50 mV/mm或100 mV/mm電場中, 血管內皮細胞的增殖行為沒有受到明顯影響。此外, 外源性電場也可以使血管內皮細胞發生重新定向排列, 且這種排列依賴于電場強度和刺激時間。

當血管內皮細胞暴露于100 mV/mm的外源性電場中持續刺激72 h后, 幾乎所有的細胞都呈現出與電場方向垂直的排列方式。血管內皮細胞的這種有序的排列方式對新生血管的延伸方向具有重要的意義。

此外, 有研究結果指出, 外源性電場刺激可增加肌細胞內血管內皮生長因子\\(vascular endothelialgrowth factor, VEGF\\)的表達, 從而促進缺血性和非缺血性大鼠肢體的血管生成。這表明電場是通過刺激VEGF的表達來促進血管生成的。但是,Sheikh等最新研究發現, 血管內皮細胞對電場的應答不需要VEGF和血管內皮細胞生長因子受體\\(vascular endothelial growth factor receptor, VEGFR\\)的結合, 而是通過絲裂原活化蛋白激酶/胞外信號調節激酶\\(mitogen-activated protein kinase/extracellularsignal-regulated kinase, MAPK/ERK\\)信號通路的激活來調節毛細血管形態發生。這為電場調節血管生成反應的新機制提供了證據。在體研究也發現,外源性電場會影響血管再生。在發育第8天的雞胚尿囊絨毛膜\\(chick embryo chorioallantoic membrane,CAM\\)上植入明膠海綿載體, 并加載外源性電場, 通過比較長入載體的血管數量和載體內的微血管密度發現, 電場不僅能顯著增加血管數量, 而且能促進血管分支。 Baba等用缺血性中風的大鼠大腦皮層研究發現, 電刺激可通過PI3K/Akt信號通路來抑制凋亡和促進血管再生, 從而減少梗塞并恢復大鼠行為。腫瘤生長和轉移都依賴于新血管的形成, 許多研究表明, 納秒級脈沖電場可通過誘導腫瘤細胞凋亡, 降低VEGF、VEGFR和血小板衍化內皮細胞生長因子\\(platelet-derived endothelial cell growth fac-tor, PD-ECGF\\)來抑制腫瘤血管生長, 因此, 電場可能是一種潛在的不依賴藥物的抗腫瘤方法。

4 外源性電場對神經修復的作用

神經修復是指在原有神經解剖和功能基礎上,促進被破壞或受損害神經再生修復, 重建神經投射通路, 改善神經信號傳導, 最終達到神經功能恢復或重建的目的。已往許多研究已經證實, 外源性電場能促進神經的再生功能。近年來, 基于過去的研究發現, 對外源性電場在神經修復再生中的作用進行了更深入的探索。McCaig等研究發現, 分離的非洲爪蟾脊髓神經元的軸突生長方向受到外源性電場的調控。相比于未受電場刺激的神經元, 外源性電場刺激后的神經突向負極生長的比例明顯增加。Koppes等用外源性電場對新生大鼠背根神經節神經元的作用進行了研究, 結果發現, 直流電場可與雪旺細胞協同促進外周神經系統損傷后的神經突生長。Koppes等進一步研究發現, 外源性電場可促進與神經元共培養的雪旺細胞釋放神經生長因子\\(nerve growth factor, NGF\\), 從而促進神經突生長持續性增加。大量研究顯示, 外源性電場能增加神經干細胞的增殖和分化, 并指導神經干細胞朝向負極定向遷移。因此, 可通過外源性電場來指導神經元干細胞遷移到腦損傷或者神經退化區域, 從而改善多種與神經系統相關的疾病。

此外, 在體實驗研究也取得了一些肯定的結果。Wan等用電刺激坐骨神經斷裂損傷位點, 通過增加神經營養因子促進髓鞘的成熟, 為軸突生長提供機械性管道, 最終促進神經修復。Teodori等研究發現, 高壓電刺激能加速機能恢復, 加強神經纖維的成熟以及減少巨噬細胞和結締組織表面密度,從而加速神經修復。用糖尿病大鼠研究也發現, 電刺激能促進大量的巨噬細胞聚集在遠端坐骨神經,從而促進坐骨神經斷裂處NGF、PDGF和轉化生長因子β的分泌, 最終修復外周神經損傷。因此認為, 電刺激可作為糖尿病創傷的一種輔助療法, 并可能成為臨床上神經修復的新療法。

5 展望

借助于外源性電場來模擬內源性電場的研究已有較長時間, 并且在細胞和分子層面都取得較大進展。大量證據表明, 外源性電場對細胞的生物學行為\\(如細胞遷移、分裂、增殖、極化和排列等\\)具有重要的影響, 而這些生物學效應對復雜的組織修復和再生過程\\(如傷口愈合、骨愈合、血管再生等\\)至關重要。目前, 對于細胞如何感知外源電場并作出相應應答的分子機制還不甚了解。因此, 進一步深入研究細胞如何感知胞外電信號, 并揭示細胞感知胞外電場的可能機制成為了目前亟待解決的關鍵問題?？傊? 電場作用是一個具有潛力的研究領域,在將來治療腫瘤、缺血性疾病、骨愈合等重要臨床疾病方面具有廣闊的應用前景。