糖尿病溃疡是糖尿病患者中极为常见的严重慢性并发症,其核心临床特征表现为皮肤破损、深层组织受累、愈合进程迟缓以及反复感染,这一病症不仅给患者带来巨大的身心痛苦,更是导致糖尿病患者下肢截肢、致残乃至死亡的主要诱因
[1]。我国每年因糖尿病足溃疡(diabetic foot ulcer,DFU)导致的截肢患者接近30万人,而截肢后患者的5年生存率不足30%
[2]。糖尿病溃疡的发病机制具有多因素协同介导的复杂性,长期高血糖引发的全身及局部病理生理紊乱是其核心诱因,糖尿病创面愈合受阻机制通过代谢紊乱、血管与神经病变、炎症微环境失调与信号通路异常实现
[3]。高压氧(hyperbaric oxygen,HBO)疗法作为一种通过提高血氧分压、增加组织氧含量治疗缺血缺氧性疾病的有效手段,相关研究
[4]表明,该疗法能够促进血管新生、减轻组织水肿、抑制细菌生长,进而加速创面愈合。然而,其更深层次的分子机制,特别是在糖尿病溃疡模型中对关键抑癌基因p53的调控作用,尚不明确。p53作为机体重要的转录调控因子,当细胞受到应激刺激时,p53会被快速激活并维持稳定状态,进而抑制组织修复过程中所需的细胞增殖
[5]。有研究提示,在糖尿病创面中p53表达异常增高,可能与愈合延迟相关,但具体作用机制还未完全清楚。同时,p53与缺氧诱导因子1α(hypoxia-inducible factor 1-alpha,HIF-1α)之间存在复杂的相互作用,二者在调控细胞命运和血管生成方面扮演着拮抗角色。本研究通过建立糖尿病大鼠溃疡模型,旨在验证HBO的治疗效果,并重点探讨其是否通过调控p53/HIF-1α轴影响下游血管生成因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的表达,以及其对晚期糖基化终末产物受体(receptor for advanced glycation end products,RAGE)的影响,以期为HBO治疗DFU的临床应用提供更坚实的实验依据。
1 材料与方法
1.1 实验动物与分组
24只SPF级雄性SD大鼠,6~7周龄,体重200~220 g,购自斯贝福(北京)生物技术有限公司,生产许可证号:SCXK(京)2024-0001,生产检疫合格证号:1101088819。实验大鼠的使用及处理均已通过包头医学院第一附属医院伦理委员会批准(2024-D016)。饲养环境:温度22~26 ℃,相对湿度50%~70%,12 h光/暗交替,自由饮水摄食。适应性饲养1周后,采用随机数字表法分为空白对照组、糖尿病溃疡对照组、高压氧治疗组,每组8只。
1.2 主要仪器与试剂
1.2.1 主要仪器
医用空气加压氧舱(GY2600,山东烟台宏远氧业有限公司);电子分析天平(JA21001,上海越平科学仪器有限公司);台式高速冷冻离心机(5424R,德国艾本德公司);血糖仪(VGM74,爱奥乐医疗器械有限公司);电泳仪(SVT-1)、转印电泳仪(SVT-2,武汉赛维尔生物科技有限公司);酶标仪(ELx808,瑞士 lonza 公司);病理切片机(RM2245,德国 Lecia 公司);Image J灰度分析软件(美国 National Institutes of Health)。
1.2.2 主要试剂
链脲佐菌素(S0130,美国Sigma公司);高脂饲料(XSYT-HFD45,北京小黍有泰生物科技有限公司);二喹啉甲酸二钠盐(bicinchoninic acid,BCA)蛋白浓度测定试剂盒(P0010S)、磷酸化蛋白酶抑制剂(P1045,上海碧云天生物有限公司);放射免疫沉淀测定裂解缓冲液(radio immunoprecipitation assay lysis buffer,RIPA)裂解液强(WLA016a)、蛋白免疫印迹封闭液(WLA066a)、十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳(sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE)蛋白上样缓冲液5×(WLA005a,沈阳万类生物科技有限公司);辣根过氧化物酶标记的山羊抗兔IgG(GB23303,武汉塞维尔生物科技有限公司);p53抗体(TA0865F,上海艾比玛特医药科技有限公司);HIF-1α单克隆抗体(YP-mAb-01776)、RAGE单克隆抗体(YP-mAb-13666)、VEGF单克隆抗体(YP-mAb-15863)、GAPDH抗体(YP-Ab-03502,优品生物科技有限公司);大鼠IL-6酶联免疫吸附试验(enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA)试剂盒(SYP-R0012)、大鼠TNF-α ELISA试剂盒(SYP-R0356,湖北择优生物科技有限公司);苏木精―伊红(hematoxylin eosin,HE)染色试剂盒(ST2023,上海尚宝生物科技有限公司)。
1.3 实验方法
1.3.1 实验动物分组、样本量估算与随机化方案
①样本量估算:以干预14 d大鼠创面愈合率为主要结局指标,根据预实验结果,设定组间均数差值为25%,标准差为12%,检验水准α=0.05,检验效能1―β=0.8,计算得出每组最低样本量为7只;考虑10%的动物造模失败与脱落率,最终设定每组8只,总样本量24只。②分层随机化:适应性饲养结束后,记录所有大鼠体重,按体重进行分层,确保每组大鼠体重分布均衡,采用随机数字表法,将24只大鼠按1∶1∶1的比例随机分配至3组,分别为空白对照组(正常大鼠+常规治疗)、糖尿病溃疡对照组(糖尿病大鼠+常规治疗)、高压氧治疗组(糖尿病大鼠+高压氧治疗),每组8只。③盲法设计:本研究采用单盲法设计,所有实验样本均进行匿名化编号处理,实验操作人员在结果评估阶段不知晓样本分组情况,以消除结果评估过程中的观察者偏倚。
1.3.2 2型糖尿病模型建立
空白对照组给予普通饲料喂养,糖尿病溃疡对照组、高压氧治疗组予高脂高糖饲料喂养6周。随后糖尿病造模组大鼠禁食不禁水12 h,腹腔注射STZ(30 mg/kg,溶于0.1 mol/L、pH4.5的柠檬酸钠缓冲液),空白对照组注射等体积柠檬酸钠缓冲液。注射后72 h及7 d测定空腹血糖,血糖持续≥16.7 mmol/L并伴多饮、多尿、消瘦等症状视为糖尿病造模成功。
1.3.3 全层皮肤溃疡创面模型建立
糖尿病模型造模成功后1周,所有大鼠经异氟烷吸入麻醉,于背部脊柱右侧制备直径2 cm的全层皮肤缺损圆形创面(深达筋膜层),无菌敷料包扎,术后单笼饲养,每日更换污染敷料。
1.3.4 高压氧干预
高压氧治疗组于创面造模成功后开始HBO干预,参数:0.22 MPa压力,加压20 min,稳压吸纯氧60 min,减压20 min(参考先前文献研究
[8]),1次/d,5 d/周,连续2周;空白对照组、糖尿病溃疡对照组仅予创面碘伏消毒常规护理。
1.3.5 一般情况与血糖监测
干预后3 d、7 d、14 d,采集大鼠随机鼠尾静脉血,测定随机血糖;每日观察大鼠精神状态、进食饮水、创面渗血渗液及感染情况。
1.3.6 创面愈合率检测
治疗0 d、7 d、14 d,在相同拍摄条件、固定放大倍数下拍摄大鼠背部创面,采用Image J软件定量计算创面面积,按公式计算愈合率:创面愈合率(%)=(初始创面面积―各时间点剩余创面面积)/初始创面面积×100%。
1.3.7 蛋白免疫印迹法检测蛋白表达
干预14 d后,异氟烷深度麻醉大鼠,无菌切取创面边缘全层皮肤组织,液氮速冻后-80 ℃保存。取组织样本液氮研磨,加入预冷的RIPA裂解液(含1%PMSF),冰上裂解30 min,4 ℃、12 000 r/min 离心15 min,取上清。BCA法测定蛋白浓度,调整蛋白浓度后加入5×上样缓冲液,100 ℃变性5 min。进行SDS-PAGE电泳(浓缩胶80 V,分离胶120 V)、转膜(300 mA,30~60 min)、5%脱脂牛奶室温封闭1 h。加入一抗(p53、RAGE、HIF-1α、VEGF、GAPDH,均1∶1 000稀释)4 ℃孵育过夜,TBST洗膜3次(5 min/次),加入二抗(1∶1 000稀释)室温孵育1 h,再次洗膜。增强型化学发光(enhanced chemiluminescence,ECL)化学发光显影,Image J软件分析条带灰度值,以目标蛋白与GAPDH灰度值比值表示相对表达量,实验重复3次。
1.3.8 ELISA 法检测炎症因子水平
取创面组织匀浆上清,按照IL-6、TNF-α ELISA试剂盒说明书操作,37 ℃孵育、显色后,酶标仪450 nm波长测定吸光度(optical density,OD值),根据标准曲线计算因子浓度,实验重复3次。
1.3.9 HE染色观察组织病理学变化
取创面组织用4%多聚甲醛固定≥5 h,梯度脱水(70%~100%乙醇)、二甲苯透明、石蜡包埋,制作4 μm厚切片。脱蜡水化后行HE染色(苏木精5 min,1%盐酸乙醇分化30 s,返蓝10 min,伊红30 s),脱水透明后中性树胶封片,光学显微镜下观察创面肉芽组织生长、炎性细胞浸润、胶原纤维排列及新生血管情况。
1.4 统计学方法
应用SPSS 17.0统计软件分析数据。正态分布的计量资料以(±s)表示,比较采用单因素方差分析、LSD-t检验、重复测量方差分析。P<0.05为差异有统计学意义。
2 结 果
2.1 各组大鼠一般情况
造模后5 d内,3组大鼠均出现精神萎靡、进食减少的应激反应;空白对照组大鼠短期内恢复,垫料干燥;糖尿病溃疡对照组、高压氧治疗组大鼠持续表现多饮、多尿、呼出气体烂苹果味等糖尿病症状。经2周干预后,高压氧治疗组大鼠精神状态、进食饮水量较糖尿病溃疡对照组明显改善,创面渗液、感染情况显著减轻,糖尿病症状未缓解。
2.2 各组大鼠随机血糖水平变化
随观测时间的推移,3组大鼠血糖水平均呈现规律性变化,糖尿病对照组血糖持续处于较高水平,空白组血糖维持稳定,高压氧组血糖逐步下降,且高压氧组血糖指标波动比糖尿病对照组缓和,3组组间、时点间、组间·时点间交互作用比较差异均有统计学意义(
P<0.05),提示高压氧干预可有效缓解糖尿病大鼠血糖的异常波动,调控血糖水平。见
表1。
2.3 各组大鼠溃疡创面愈合情况
随观测时间的推移,3组大鼠创面愈合率均呈逐步升高趋势,糖尿病对照组愈合速度缓慢,空白组愈合速度较快,高压氧组愈合速度显著优于糖尿病对照组,且高压氧组创面愈合率的变化幅度比糖尿病对照组更显著,3组组间、时点间、组间·时点间交互作用比较差异均有统计学意义(组间
P<0.001,时点间
P<0.001,组间·时点间交互作用
P=0.035),提示高压氧干预可有效加速糖尿病大鼠创面愈合进程,改善愈合效果。干预14 d,高压氧治疗组创面基本愈合,可见新生上皮及毛发生长;糖尿病溃疡对照组创面仍未闭合,伴少量脓点及炎性渗出。见
表2、
图1。
2.4 各组大鼠创面组织p53、RAGE、HIF-1α、VEGF蛋白表达
与空白对照组相比,糖尿病溃疡对照组创面组织p53、RAGE蛋白表达显著升高,HIF-1α、VEGF蛋白表达显著降低,差异有统计学意义(
P<0.05);与糖尿病溃疡对照组比较,高压氧治疗组p53、RAGE蛋白表达显著下调,HIF-1α、VEGF蛋白表达显著上调,差异有统计学意义(
P<0.05);高压氧治疗组p53、RAGE 表达仍高于空白对照组,HIF-1α表达仍低于空白对照组,差异有统计学意义(
P<0.05),VEGF表达与空白对照组差异无统计学意义(
P>0.05)。见
表3、
图2。
2.5 各组大鼠创面组织IL-6、TNF-α水平
与空白对照组相比,糖尿病溃疡对照组创面组织IL-6、TNF-α水平显著升高(
P<0.05);与糖尿病溃疡对照组相比,高压氧治疗组IL-6、TNF-α水平显著降低(
P<0.05),但仍高于空白对照组(
P<0.05)。见
表4。
2.6 各组大鼠创面组织病理学变化
空白对照组:创面表层修复增厚,肉芽组织中成纤维细胞向胶原纤维转化,胶原纤维排列整齐,炎症细胞稀少,新生血管分布均匀。糖尿病溃疡对照组:创面表层可见大量炎性渗出物、炎症细胞及坏死组织,肉芽组织中新生毛细血管排列紊乱,成纤维细胞居多,胶原纤维稀少,创面修复停滞。高压氧治疗组:创面表层开始修复,可见大量成纤维细胞,炎症细胞浸润显著减少,新生血管数量明显增多,胶原纤维排列较规则。
3 讨 论
我国糖尿病患者人数已位居全球首位,且患病率持续攀升并呈现年轻化趋势。在糖尿病的众多并发症中,皮肤溃疡尤为常见,其中足部溃疡最高可达25%,由糖尿病足引发的截肢比例约为24%,而截肢后患者5年生存率不足30%,这一现状给患者家庭与医疗体系带来了沉重的负担
[6]。糖尿病足的出现由多重因素引起的,组织长期处于高糖环境中,细胞正常代谢活动受影响而被打破,并产生糖基化产物,随糖尿病病程延长使终末产物在下肢血管、周围神经和皮肤组织发生积累和影响也越多,再因意外等情况出现了难察觉的微小创伤情况下,使细菌在高糖环境大量繁殖,最终表现出足部溃疡难以愈合的结果
[7]。
HBO能有效促进DFU创面愈合、降低大截肢风险,其作用效应被认为与减轻组织水肿、促进血管新生、抑制细菌生长、调节炎症反应等相关
[8]。HBO可明显改善创面血液灌注,恢复正常血供,并且在血管修复与重建方面也具有一定作用
[9]。既往研究
[10]显示HBO在肿瘤领域可通过改善缺氧、调节免疫功能发挥辅助治疗作用。但目前关于HBO促糖尿病溃疡愈合的深层分子调控机制尚未完全阐明,尤其是其对创面修复关键调控因子p53的作用及下游信号通路的影响,仍缺乏系统的实验支撑。本研究首先从宏观层面与组织病理层面证实,HBO干预2周可显著促进2型糖尿病大鼠溃疡创面愈合。本实验结果显示,干预7 d、14 d时,HBO治疗组大鼠创面面积较糖尿病溃疡对照组显著缩小,创面愈合率显著升高。国内外有关研究
[11]也证实,高压氧治疗可显著提高DFU患者创面愈合,缩短创面愈合时间,同时上调患者血清中VEGF水平。研究
[12]证实HBO可促进创面组织中Ⅲ型胶原的合成,提升上皮化速度在糖尿病溃疡上。二者均从临床与基础层面验证了HBO对糖尿病创面的直接促修复作用。同时,本研究通过HE染色组织学观察显示,HBO治疗组大鼠创面再上皮化进程更显著,肉芽组织中新生血管数量更多、胶原纤维排列更规则,炎症细胞浸润程度明显减轻,从组织学层面进一步印证了HBO的促愈合效应,也为后续的分子机制分析提供了组织学基础。
p53经典功能是调控细胞周期、诱导细胞凋亡、维持基因组稳定性,在肿瘤发生发展中发挥核心作用
[13]。研究
[14]显示,p53在组织损伤修复过程中也发挥着重要的调控作用,其异常激活会直接抑制创面修复进程。正常生理状态下,p53蛋白半衰期极短,多以非活化形式存在并被快速降解;但当细胞受到缺氧、DNA损伤、代谢紊乱等应激刺激时,p53会被快速磷酸化修饰并稳定表达,通过调控下游靶基因诱导细胞周期阻滞或异常凋亡,抑制成纤维细胞、血管内皮细胞等创面修复细胞的增殖与迁移
[15]。KANE通过糖尿病小鼠创面模型显示,糖尿病创面组织中p53呈异常高表达,且其表达水平与创面愈合速度呈显著负相关,提示p53异常激活是糖尿病创面难愈的重要分子机制
[16]。Yang等
[17]研究显示,在糖尿病代谢紊乱中p53激活介导的细胞衰老担负重要职能。本研究蛋白质免疫印迹检测结果显示,糖尿病溃疡对照组大鼠创面组织中p53蛋白表达水平较空白对照组显著升高,与上述研究结果完全相符,而经HBO干预后,大鼠创面组织中p53蛋白表达水平较糖尿病溃疡对照组下调,且这一变化与创面愈合率的提升呈现出同步性。结合创面病理生理特征分析,局部组织慢性缺氧是p53激活的核心应激源之一,而HBO通过提高创面组织氧分压,直接缓解了糖尿病创面的慢性缺氧状态,这可能是p53表达下调的重要原因,这一逻辑也与MOHAMMAD提出的“HBO通过改善创面组织灌注与氧合状态,逆转缺氧介导的细胞增殖抑制”的理论相契合
[18]。
HIF-1α是细胞响应缺氧应激的核心转录因子,在缺氧条件下可稳定表达并入核,启动下游VEGF等促血管生成基因的转录,促进内皮细胞增殖、迁移与管腔形成,是创面修复过程中不可或缺的调控因子
[19]。既往研究证实,长期高糖环境会降低HIF-1α的稳定性与转录活性,抑制其下游VEGF的表达,导致糖尿病创面血管新生障碍,这是糖尿病溃疡难愈的核心机制之一
[20]。Zhang等
[21]研究也显示,糖尿病创面中HIF-1α与VEGF的表达水平显著降低,是导致创面血管新生不足、愈合延迟的关键原因。这与本研究中糖尿病溃疡对照组HIF-1α、VEGF表达下调的结果一致。而本研究显示,HBO干预可上调糖尿病大鼠创面组织中HIF-1α与VEGF的表达,这一结果看似与“持续高氧环境促进HIF-1α泛素化降解”的传统认知相悖
[22],实则与HBO的间歇性干预模式密切相关。SCHOTTLENDER的研究证实,间歇性HBO干预会在机体内形成“高氧―常氧/缺氧”的循环,这种模式可避免持续高氧对HIF-1α的降解作用,同时在缺氧间期模拟适度的缺氧应激,激活HIF-1α的稳定表达,进而启动下游促血管生成程序
[23]。同时,本研究HE染色结果显示HBO治疗组创面新生血管数量增多,也印证了HIF-1α/VEGF通路激活后的生物学效应,Cao等
[24]的研究也证实,VEGF表达上调介导的血管新生是糖尿病溃疡创面愈合的核心环节。
本研究结果显示,HBO干预后大鼠创面组织中p53表达下调,同时伴随HIF-1α、VEGF表达的同步上调,二者呈现出显著的负相关表达趋势。既往研究已在多个病理模型中证实,p53与HIF-1α存在密切的交互调控关系,二者呈现出显著的“跷跷板”式表达特征
[25]。Li等
[26]在增生性瘢痕的研究中显示,p53与HIF-1α的表达呈显著负相关,敲低p53可显著上调HIF-1α的表达,增强成纤维细胞的增殖与胶原合成能力;反之,p53过表达则会显著抑制HIF-1α的表达。叶晓伟
[27]研究也显示,在缺氧应激状态下,p53与HIF-1α存在动态的拮抗调控关系,当p53持续激活时,会显著抑制HIF-1α的转录功能。
此外,本研究ELISA与蛋白质免疫印迹检测结果显示,HBO干预可显著下调糖尿病大鼠创面组织中RAGE的表达,同时降低促炎因子IL-6、TNF-α的水平。RAGE是晚期糖基化终末产物的主要功能受体,长期高糖环境下AGEs结合后在组织中大量蓄积
[28],与RAGE结合后可激活核因子κB等促炎通路,诱导IL-6、TNF-α等促炎因子大量释放,放大局部炎症反应,加重氧化应激损伤
[29]。研究
[30-31]证实,糖尿病创面中RAGE表达显著上调,会持续激活巨噬细胞M1型促炎表型,导致创面长期停滞在炎症期而无法进入增殖期。研究
[32-33]显示,抑制RAGE通路可显著减轻糖尿病创面的炎症反应,促进M2型巨噬细胞极化,加速创面愈合,Wu等
[34]研究显示,p53的异常激活可通过上调核因子κB通路进一步放大RAGE介导的炎症反应,而RAGE通路激活产生的氧化应激也会进一步稳定p53的表达,二者存在协同调控效应
[35]。本研究中,HBO干预后p53与RAGE的表达同步下调,同时IL-6、TNF-α水平显著降低,提示二者的表达变化存在相关性,HBO可能通过并行调控p53与RAGE两条通路,或通过下调p53间接影响RAGE介导的炎症通路,共同抑制创面局部过度炎症反应。
综上所述,本研究证实:HBO可有效促进糖尿病大鼠溃疡创面愈合;HBO治疗伴随p53下调及HIF-1α/VEGF上调,二者可能存在相关性,其因果关系仍需进一步实验验证;HBO治疗伴随p53与RAGE的表达下调,抑制创面局部过度炎症反应,改善创面修复微环境。本研究初步阐明了HBO可能通过影响p53促进糖尿病溃疡愈合的分子机制,为其临床应用提供了新的实验依据,也为糖尿病足溃疡的治疗提供了新的临床参考价值。本研究仅证实了高压氧与上述分子的表达相关性,p53的直接调控作用及分子间的因果关系仍需后续功能实验进一步验证。
包头医学院青年科技骨干支持计划(BYJJ-QNGG 2022011)