硅释氢气防治皮瓣缺血损伤
摘要：氢对皮瓣缺血再灌注损伤有效。然而，传统方法难以持续给药足够量的氢一直是临床应用中存在的问题。以硅为基础的药物在肠道环境中持续产生大量的氢气。在本研究中，我们采用大鼠模型，评估了硅基剂对皮瓣缺血再灌注损伤的抑制作用。缺血再灌注组将腹部皮瓣血管蒂闭塞3小时后再灌注7天。在缺血再灌注+硅组中，硅基药物在围手术期使用。再灌注后评价皮瓣成活率、血流、氧化应激标志物、炎症标志物/表现及细胞凋亡程度。与缺血再灌注组相比，缺血再灌注+硅组皮瓣成活率显著升高，组织学炎症、凋亡细胞、氧化应激标志物、炎症细胞因子mRNA和蛋白表达水平显著降低。结果表明，硅基药物能够抑制缺血再灌注损伤引起的氧化应激、细胞凋亡和炎症反应，从而有助于改善皮瓣存活。
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游离皮瓣移植是癌症和创伤引起的机体缺损重建不可缺少的手段。在游离皮瓣移植过程中，游离皮瓣组织不可避免地暴露在缺血环境中。当处于缺血环境的组织进行再灌注时，组织可因氧化应激、炎症和凋亡而发生损伤。因此，抑制缺血再灌注损伤对成功是重要的自由皮瓣转移，和各种研究旨在减少缺血再灌注损伤，例如，使用代理与氧化和抗炎作用，以及缺血性预适应等手术。
氢可以通过选择性地与强氧化剂(如羟基自由基)发生反应来限制组织中氧化应激的程度。近年来许多研究都试图将氢气用于临床医学。例如，在整形外科领域的一些研究表明，氢对皮瓣组织缺血再灌注损伤有抑制作用。在这些研究中，氢主要以氢、水或氢气的形式存在。但是水中氢的浓度极低(1.6 ppm)，而且氢分子很容易扩散到空气中，所以人体吸收的氢的量是有限的。另外，由于氢气浓度高，具有爆炸性，操作安全问题也限制氢气的使用。
我们之前开发了一种硅基试剂，它可以促进肠道内连续产生氢，作为一种简单而有效的方式将氢引入体内。口服该制剂产生≥400 ml/g氢(相当于≥22 L饱和氢水)在体内持续时间超过24 h。此外，硅基剂在肠道内与水反应时，在其表面形成的氢原子比氢分子具有更高的还原能力。这种药物有效性已在氧化应激相关疾病的动物模型中得到证实，如肾衰竭、帕金森病和肾缺血再灌注损伤。
本研究采用大鼠游离皮瓣移植模型，探讨硅基药物对缺血再灌注损伤的抑制作用。
图1 实验设计
图2术后皮瓣存活及血流情况。(a)各组代表性图像及激光散斑血流成像系统获得的血流图像。实线表示原来的襟翼区域，虚线表示剩下的襟翼区域。
图3缺血-再灌注损伤后皮瓣HE和TUNEL染色分析。(a)各组皮瓣浅层和深层具有代表性的HE染色图像(比例尺:100 μm)。缺血再灌注组炎症细胞浸润、充血、血管内微血栓形成严重。(b)组织损伤评分评估。缺血再灌注+硅组评分明显低于缺血再灌注组。(c)各组皮瓣真皮层代表性TUNEL染色图像(比例尺:20 μm)。(d) tunel阳性细胞评估。
本研究表明，口服硅基药物可抑制大鼠皮瓣缺血3小时后的缺血再灌注损伤，并提高皮瓣的存活率。
游离皮瓣再造是整形重建手术的重要环节。随着外科技术的进步，皮瓣游离移植的成功率已被报道为90 - 99%。然而，缺血再灌注损伤导致游离皮瓣全部或部分坏死仍是一个具有挑战性的问题。大量研究表明，皮瓣缺血再灌注损伤涉及氧化应激、炎症和细胞凋亡。其中，活性氧引起的氧化应激被认为是主要的致病因素。虽然使用不同的抗氧化、抗炎和抗凋亡药物，生长激素和干细胞，手术技术如缺血性预适应手段防止皮瓣缺血再灌注损伤，都没有获得明确有效的共识。这可能是由于与药物相关的副作用，以及手术技术需要额外的手术时间，处理血管蒂的手术操作可能导致血管内皮损伤、血栓形成和血管痉挛。
羟基自由基是一种具有较强氧化能力的活性氧，氢气通过选择性地与羟基自由基反应降低组织中的氧化应激。许多研究已经证明了氢在防止诸如大脑、心脏、肝脏、肠道和肾脏等器官缺血再灌注损伤方面的作用。在整形和重建外科领域，氢已经被证明可以防止皮瓣和骨骼肌的缺血再灌注损伤。氢对人体无害，即使摄入过多，也会被排出体外。因此，与其他药物相比，它的副作用的可能性很低。在以往的研究中，评估氢预防组织缺血再灌注损伤的作用的给药途径为：腹腔或静脉注射富氢盐水，或吸入氢气。通过这些途径，持续地给予足够量氢气是相对困难的。相比之下，本研究中使用的硅基制剂在肠道环境中不断产生大量的氢，而且该制剂已被证明对各种慢性疾病的动物模型有效，如肾衰竭、帕金森病和精索静脉曲张引起的异常精子参数。以及急性情况，如肾缺血再灌注损伤。
在本研究中，与假手术组相比，缺血再灌注组皮瓣组织中氧化应激标志物MDA、组织炎症细胞浸润和组织损伤水平以及炎症细胞因子mRNA和蛋白水平均显著升高。然而，口服硅剂能够抑制缺血再灌注组中观察到的变化，表明释放氢硅剂可以防止产生的缺血再灌注损伤的影响在皮瓣。过去研究发现以硅为基础的药剂已被证明对肾脏和脑部疾病有效，对皮肤和软组织疾病也有效。
氧化应激和缺血再灌注损伤在许多与皮肤和软组织相关的病理条件下都可以观察到。例如，特应性皮炎和辐射诱发皮炎被认为与氧化应激有关。此外，缺血再灌注损伤与压疮引起的深层组织损伤的恶化有关，而氢已被证明是一种有效的治疗方法。根据我们目前的研究结果，硅基药物在预防和治疗这些疾病方面也可能是有效的。除了这些皮肤和软组织的情况，硅基剂也可能对其他器官的缺血再灌注损伤有效，而氢已被证明是一种有效的治疗方法。
本研究有一定的局限性。首先，我们无法检查缺血时间、硅基药物剂量或治疗时间对治疗效果的影响。其次，我们不能直接测量到达评估组织的氢的实际量。根据既往报道，皮瓣缺血时间设定为3小时，但尚不清楚硅基药物对缺血时间较长的再灌注损伤的抑制作用是否有效。本研究中使用的饮食中硅基制剂的浓度和给药时间也基于以前的报告。一项研究报道，硅基药物的疗效是剂量依赖的。虽然还需要进一步的研究来确定最优的浓度硅试剂为每个测试条件，硅试剂的优势是，它是不被人体吸收，多余的未使用的氢气排放，使不良反应降到最低，即使在高浓度使用。至于缺血再灌注损伤氢给药的时机，有两种可能:预处理和后处理。虽然预处理和后处理孰重孰轻的问题仍存在争议，但硅剂可连续产生氢，并且可以在手术前使用。但是，硅基制剂在肠内碱性环境中产生氢，因此到达肠内开始产生氢有一个时间延迟。因此，对于不可预见和紧急的情况，如断肢再植，使用该制剂可能是困难的。
研究发现，硅基制剂可有效抑制皮瓣缺血再灌注损伤，并可通过口服持续产生大量氢，不良事件发生的可能性较低。因此，硅基药物可能适合于临床使用，并有潜力极大地扩大氢气治疗的范围。
