1927 nm铥激光与MatriDerm?的血液依赖性光热相互作用：一项体外研究

《Lasers in Medical Science》：Photothermal interaction of a 1927 nm Thulium laser with MatriDerm: an in vitro study

　　

真皮模板（dermal templates）支持伤口愈合，但复杂伤口仍具挑战性。热激光通过热休克反应（heat shock response，HSR）激活再生性热休克通路，但其与真皮替代物的相互作用尚不明确。MatriDerm^?是一种用于单阶段重建的非交联胶原-弹性蛋白替代物，可能通过激光应用来增强以改善再生效果。本研究评估了1927 nm铥激光与MatriDerm^?在不同水合状态下的相互作用。研究人员将MatriDerm^?支架（厚度1–3 mm）在干燥、水浸泡和血液浸泡条件下进行测试（n = 27）。样品接受1927 nm铥激光照射（20 mJ/脉冲，10 J/cm²，1 mm光斑，每位点5次脉冲）。记录宏观和微观效应、峰值温度及碳化深度。血液浸泡支架进行定量聚合酶链反应（quantitative polymerase chain reaction，PCR）、蛋白质印迹法（western blot）、酶联免疫吸附测定（enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）和傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared，FTIR）分析。激光效应仅在血液浸泡的MatriDerm^?中出现。干燥和水浸泡支架未显示结构变化，温度升高极小（28–32 °C）。血液浸泡样品达到65 ± 5 °C，产生表面碳化（250 ± 50 μm），深层基质得以保留。分子分析显示热休克蛋白70（HSP70）上调、转化生长因子β1（transforming growth factor β1，TGF-β1）信号减少、I型胶原表达增加及胶原重组。这些效应反映了血液富集微域内的局部热限制，而非1927 nm波长处的整体吸收，而单独的水则因散热过快而无法维持光热反应。1927 nm铥激光在血液存在时产生独特的光热反应，提示局部光学-热环境发生了改变。这些发现支持激光激活真皮支架的概念，并为未来探索铥激光辅助伤口愈合的体内研究提供了机制基础。

**论文解读**

**一、研究背景与问题**

在深度或广泛的重大重建性伤口中，单纯依靠缝合或局部皮瓣往往无法实现一期闭合。此时，真皮替代物（dermal substitutes）被用于提供基于胶原的支架，作为细胞外基质（extracellular matrix）以促进伤口愈合和组织再生。MatriDerm^?（MedSkin Solutions Dr. Suwelack AG，德国）是一种非交联胶原-弹性蛋白基质，广泛用于单阶段重建（single-stage reconstruction），可提供柔韧的创面覆盖。然而，年龄、合并症、放射治疗以及手术资源可及性等因素会延迟愈合进程，从而延长了成纤维细胞（fibroblasts）向肌成纤维细胞（myofibroblasts）分化的时间窗口，促进胶原沉积紊乱和瘢痕形成，甚至导致纤维化和挛缩。因此，进一步围绕MatriDerm^?开展研究有助于加速愈合过程、优化伤口闭合时间，并改善功能和美容效果。

激光在皮肤科和瘢痕管理中已得到广泛应用。点阵CO₂激光和铒:钇铝石榴石（Er:YAG）激光可重塑成熟肥厚性瘢痕，脉冲染料激光（pulsed dye laser，PDL）可减轻红斑并改善瘢痕柔韧性。近年来实验研究进一步表明，热激光不仅可作为破坏性工具，还可通过诱导热休克反应（heat shock response，HSR）上调热休克蛋白（heat shock proteins，HSPs），从而发挥生物刺激信号的作用，"激光预处理"（laser preconditioning）的概念由此提出。非剥脱性1927 nm铥激光在临床上被描述为水吸收波长，用于色素性疾病和皮肤重建。然而，1927 nm激光与脱细胞真皮支架的相互作用此前尚未被表征。本研究选择1927 nm铥激光的原因在于，它是临床上用于皮肤重建的标准非剥脱性激光，可在与血管化创面床相关的条件下评估其与MatriDerm^?的相互作用。与在临床剂量下呈剥脱性且会破坏支架结构的CO₂或Er:YAG激光不同，1927 nm波长在中等参数下为非剥脱性。PDL通过可见波长吸收选择性靶向浅表血管中的氧合血红蛋白，并非设计用于支架相互作用。低强度光治疗（low-level light therapy，LLLT）和发光二极管（light-emitting diode，LED）设备在显著较低的功率密度下运行，引入的是光生物调节作用而非光热效应，不在本研究范围内。MatriDerm^?被选为支架模型，因为它是最广泛使用的非交联胶原-弹性蛋白真皮替代物之一，具有标准化厚度（1–3 mm），其脱细胞胶原-弹性蛋白结构允许在不受细胞反应干扰的条件下分离出对基质的光热效应。

基于上述背景，研究人员提出假设：铥激光照射可能以某种方式与血液浸泡的真皮替代物相互作用，产生局部热休克效应，进而触发再生级联反应。本研究旨在评估1927 nm铥激光（Ultra^?，Lutronic Corp，韩国）与MatriDerm^?在不同水合状态（干燥、水浸泡、血液浸泡）下的光热相互作用，通过确定出现宏观和微观变化的条件，探索非剥脱性激光预处理作为真皮替代物重建辅助手段的可能性。

**二、主要技术方法概述**

研究人员将MatriDerm^?支架制备为三种水合状态：干燥组、去离子水浸泡组（浸泡30分钟至重量稳定并确认最大吸水）和全血浸泡组（血细胞比容42%，经机械去纤维蛋白处理以防止凝固，血液来自单名健康供体即作者本人，通过无菌静脉穿刺获取）。每种状态包含1 mm、2 mm和3 mm三种商业可用厚度，每组每种厚度3个样本，总计27个样本。所有样品接受1927 nm铥激光单次照射，参数为20 mJ/脉冲、能量密度10 J/cm²、脉冲宽度200 μs、重复频率1 Hz、光斑尺寸1 mm、每位点5次脉冲，峰值辐照度约12.7 kW/cm²。通过红外热成像记录照射过程中的峰值表面温度，照射后行苏木精-伊红（H&E）染色进行显微评估，碳化深度采用ImageJ软件测量。血液浸泡支架在激光照射后37 °C孵育24小时，随后进行定量聚合酶链反应（qPCR，靶标包括HSPA1A、TGF-β1、COL1A1，以GAPDH为内参）、蛋白质印迹法（检测HSP70、phospho-Smad2/3、collagen I和β-actin）、酶联免疫吸附测定（ELISA，定量可溶性HSP70和TGF-β1）以及傅里叶变换红外光谱（FTIR，分析酰胺I带约1650 cm^?1处的胶原光谱位移）。数据分析采用单因素方差分析及Tukey事后检验，显著性设为p < 0.05。

**三、研究结果**

**激光效应在不同水合状态间存在显著差异。** 干燥和水浸泡的MatriDerm^?支架在激光照射后未显示任何结构变化，胶原结构完整，峰值温度仅小幅升至28–32 °C。与之形成鲜明对比的是，血液浸泡样品达到65 ± 5 °C的峰值温度，产生浅表碳化，碳化深度为250 ± 50 μm，而碳化区下方的深层基质结构得以保留。不同支架厚度间未观察到显著差异（p > 0.05），表明厚度并非影响光热反应的决定性因素。

**血液浸泡支架中的分子效应。** 分子水平的改变仅在经激光照射的血液浸泡支架中观察到，干燥和水浸泡样品均无可测量的变化（所有变化均<1.1倍，p > 0.05）。qPCR分析显示HSPA1A（编码HSP70）表达上调，TGF-β1表达下调，COL1A1（编码I型胶原）表达上调。蛋白质印迹法证实HSP70蛋白水平升高、phospho-Smad2/3（TGF-β信号通路的关键下游效应分子）水平降低以及I型胶原蛋白表达增加。ELISA检测到可溶性HSP70水平升高和TGF-β1水平降低。FTIR光谱分析显示酰胺I带发生光谱位移，提示胶原分子发生了重组。

**四、讨论与结论**

本研究首次证明，1927 nm铥激光与MatriDerm^?的相互作用呈水合状态依赖性，可见变化仅在基质被血液饱和时出现。这一发现表明，血液的存在从根本上改变了支架的光学-热环境。1927 nm中红外波长对应水的强吸收峰，其吸收强于近红外波长（如1550 nm铒:玻璃激光），但弱于CO₂（10,600 nm）或Er:YAG（2940 nm）激光。这种平衡使铥激光能够实现约200–300 μm的中等穿透深度，能量局限于浅层真皮。然而，在本研究的脱细胞MatriDerm^?模型中，单独的水并未产生可见变化，这可能是因为不受约束的胶原-弹性蛋白支架允许热量快速消散。相比之下，血液饱和引入了额外的吸收物质并改变了支架的热传输特性，使得能量能够局灶性沉积、温度迅速升高，从而产生浅表碳化同时保留深层结构。

值得注意的是，水浸泡组与血液浸泡组之间的差异不能仅归因于血红蛋白吸收，因为在1927 nm处，水吸收在组织吸收光谱中占主导地位，而血红蛋白吸收相对较低。其他因素可能对这一差异产生贡献，包括：血液的较高黏度可能减少了多孔基质内的流体再分布和热耗散；血液中的蛋白质成分（血红蛋白、白蛋白及其他血浆蛋白）引入了额外的吸收物质并改变了散射特性；流体在支架孔隙内分布的差异；以及多孔胶原-弹性蛋白网络内血液的复杂行为导致的加热微域局部限制。因此，观察到的效应可能源于光学和热学因素的共同作用，而非单一主导吸收体。

热弛豫时间（thermal relaxation time，TRT）的概念为理解上述现象提供了框架。水的TRT较短，热量迅速传导散失，因此在脱细胞水合基质中，沉积的热量可能迅速扩散至整个支架，使温度无法维持在激活热休克反应和使胶原变性的临界阈值（42–45 °C）以上。而在血液浸泡组中，吸收物质含量、较高黏度和改变的热传输特性可能在局部创造了热限制区域，其中能量沉积速率超过热扩散速率，使微区温度持续升高至约65 °C，足以引发碳化并触发热休克反应。

从分子层面看，HSP70的上调是本研究最重要的发现之一。无论波长如何，热激光在周围真皮中产生生理温度梯度，42 °C以上即可触发HSR，上调HSPs，尤其是HSP70。HSP70作为分子伴侣稳定未折叠蛋白、促进复性并保护细胞免于凋亡，换言之，激光的受控热应激并非造成剥脱性损伤，而是作为一种生物信号激活细胞内在修复机制。已有研究表明HSP70可与TGF-β（炎症和纤维化的关键调节因子）相互作用，通过稳定主要信号通路抑制过度促炎级联反应。本研究分子数据显示HSP70上调伴随TGF-β1/Smad信号降低和I型胶原表达增加，这与促纤维化信号的减弱方向一致，尽管这些观察来自脱细胞系统，尚需在含反应性成纤维细胞的体系中进行功能验证。此外，FTIR光谱显示胶原分子重组，进一步支持了激光诱导的基质重塑效应。

综上所述，本项体外研究表明，血液浸泡的MatriDerm^?对1927 nm铥激光照射表现出独特的光热反应，其特征为局部温度升高以及相关的结构和分子变化，而干燥和水浸泡条件下则无此类反应。这种差异性反应反映了血液引入后支架光学-热环境的改变，尽管精确机制仍有待阐明，吸收物质贡献、热传输特性以及支架-流体相互作用之间的相对权重尚需进一步研究。上述结果为在生理相关条件下进一步研究激光-真皮替代物相互作用提供了基础，支持激光激活真皮支架的概念，并为未来探索铥激光辅助伤口愈合的体内研究奠定了机制基础。