硫氧还蛋白-1的过表达在小鼠缺血皮肤瓣模型中增强了血管生成和存活能力

《Surgery》：Overexpression of thioredoxin-1 enhances angiogenesis and survival in a mouse ischemic skin flap model

皮肤瓣缺血模型中硫氧还蛋白-1过表达通过促进血管生成、减少氧化应激和抑制凋亡机制显著提高存活率，并增强局部血流。

　　

安德烈亚·沃特斯（Andrea Watters）| 莫妮卡·马洛尼（Monica Maloney）| 加布里埃拉·布朗（Gabriela Brown）| 帕瓦伊·苏格拉底（Pavayee Socrates）| 大卫·拉塞尔（David Russell）| 伊桑·巴特科（Ethan Batko）| 肖恩·伯格瓦特（Sean Burgwardt）| 肖扬·艾哈迈德（Shayan Ahmed）| 马赫什·蒂鲁纳武卡拉苏（Mahesh Thirunavukkarasu）| M. 梅琳达·桑德斯（M. Melinda Sanders）| J. 亚历山大·帕莱斯蒂（J. Alexander Palesty）| 尼兰贾纳·毛利克（Nilanjana Maulik）

康涅狄格大学医学院外科、分子心脏病学与血管生成实验室，法明顿，康涅狄格州

摘要

背景

缺血是可能导致皮肤瓣重建失败的并发症。硫氧还蛋白-1（thioredoxin-1）是一种氧化还原蛋白，在心肌梗死、外周血管疾病和全层伤口的缺血模型中可促进恢复。本研究探讨了硫氧还蛋白-1过表达对缺血皮肤瓣存活的影响。

方法

在B6野生型小鼠和过表达硫氧还蛋白-1（Trx-1^Tg/+）的转基因小鼠中，制作了3边长1.25 × 2.25厘米的背部缺血皮肤瓣。在皮肤瓣的近端放置硅胶片以促进愈合，从而形成缺血梯度。在术后第4天、第8天和第12天拍摄图像以评估组织活力和灌注情况。术后第12天处死小鼠，并收集皮肤瓣进行组织病理学和免疫组织化学分析。通过免疫荧光分析确定硫氧还蛋白-1介导的伤口愈合机制。

结果

与野生型小鼠相比，Trx-1^Tg/+小鼠的皮肤瓣在术后第4天、第8天和第12天的存活率显著提高。多普勒分析显示，Trx-1^Tg/+小鼠的远端皮肤瓣灌注情况优于野生型小鼠。免疫荧光分析显示，Trx-1^Tg/+小鼠的PHD1和TXNIP表达降低，而硫氧还蛋白-1、血管内皮生长因子（VEGF）、Bcl-2、HO-1和HIF1α的表达增加。CD31染色显示，Trx-1^Tg/+小鼠的皮肤瓣血管密度高于野生型小鼠。

结论

硫氧还蛋白-1的过表达通过促进血管生成、减少氧化应激以及抑制脯氨酰羟化酶1（prolyl hydroxylase 1）来防止细胞凋亡，从而提高皮肤瓣的存活率。未来，硫氧还蛋白-1治疗可能应用于局部组织重塑、分层或全层皮肤移植等重建手术中。

引言

在美国，约有2%的人口受到慢性伤口的影响。最常见的慢性伤口来源包括糖尿病足溃疡、静脉淤滞性溃疡、动脉供血不足性溃疡和压疮。伤口护理给社会带来了巨大的经济负担。系统评价表明，因糖尿病导致的截肢住院费用为每位患者12,851至16,267美元，而慢性腿部伤口的管理费用每年在13,334至13,761美元之间。 皮肤瓣是一种重建手术，其中自体组织从一个身体部位重新排列或转移到另一个部位。它已被用于覆盖由慢性伤口、烧伤、创伤、恶性肿瘤和先天性畸形引起的大面积缺损。皮肤瓣手术最令人担忧的并发症是坏死，其发生率在5%至10%之间，但在乳房切除术后的皮肤瓣中可高达30%。坏死通常发生在皮肤瓣的远端，由多种血管和炎症因素引起。导致坏死的血管因素包括由于动脉供血不足引起的传入血流不足或由于静脉淤血或血栓形成引起的传出血流不足。手术本身产生的促炎状态会产生活性氧（ROS）和其他局部生化介质，从而导致水肿和组织贴合不良，从而抑制愈合。迄今为止，许多研究已经确定了预防坏死的药物和条件。通过将组织预先或术后置于缺血状态，以及暴露于高压氧、低温和体外冲击波疗法，可以提高皮肤瓣的存活率。减少皮肤瓣坏死的药物包括抗血栓药物（如阿司匹林和肝素）、靶向一氧化氮合酶途径的血管扩张剂（如硝苯地平），以及激活血管内皮生长因子（VEGF）的促血管生成剂。此外，抗氧化剂（如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽和维生素A、C、E）以及调节γ-氨基丁酸受体、大麻素2型受体和腺苷三磷酸敏感钾通道的分子也能减少坏死。基于细胞的疗法包括注射间充质干细胞和脂肪源性干细胞以及外泌体疗法。尽管已有大量数据表明可以预防早期缺血和皮肤瓣坏死的方法，但在临床实践中应用较少。无论如何，皮肤瓣必须存活才能降低患者发病率、改善外观效果并减少总体医疗成本。 伤口愈合的正常病理生理过程包括四个关键步骤：首先通过血管收缩和血小板聚集实现止血，血小板会分泌吸引免疫细胞的因子；其次主要是中性粒细胞介导的炎症，它们释放ROS以防止感染，同时巨噬细胞吞噬碎片并分泌招募成纤维细胞和内皮细胞的细胞因子；在增殖期，组织发生肉芽形成、血管生成和上皮化；最后是重塑阶段，胶原蛋白在此过程中形成疤痕。慢性伤口会停滞在炎症状态，其特征是ROS、蛋白酶和促炎细胞因子水平升高。 我们之前的研究证明了硫氧还蛋白-1（Trx-1）这种小分子胞质氧化还原蛋白（12 kDa）在增加血管密度和减少缺血相关并发症中的作用。Trx-1的一个下游效应是通过上调VEGF及其受体来促进血管生成。我们的已发表研究表明，Trx-1通过改善灌注来促进心肌梗死、后肢缺血和全层伤口后的组织存活。随着时间的推移，关于促血管生成分子及其抗氧化潜力的研究受到了更多关注。 因此，在本研究中，我们试图评估Trx-1过表达是否能在小鼠模型中提高缺血皮肤瓣的存活率并促进新血管形成。我们还试图确定促进愈合和增加血流的分子机制。理解这些分子机制对于开发有效干预措施以减少皮肤瓣损伤并提高其存活率至关重要。

动物研究

本研究遵循美国国家医学研究协会制定的实验室动物护理原则，并符合《实验室动物护理和使用指南》的要求。康涅狄格大学健康中心（法明顿，康涅狄格州）的动物护理委员会批准号为AP-201342-0228。

小鼠缺血皮肤瓣手术 使用了8至18周大的野生型（WT）C57BL/6小鼠（B6，同窝对照小鼠）和过表达硫氧还蛋白-1的杂合小鼠（Trx-1^Tg/+）。

Trx-1提高缺血皮肤瓣远端存活率并减少细胞凋亡 在术后第0天、第4天、第8天和第12天使用数字成像技术分析皮肤瓣。WT小鼠和Trx-1^Tg/+小鼠的皮肤瓣远端均表现出一定程度的愈合不良，尤其是在WT小鼠中更为明显（图2，A）。皮肤瓣坏死的定量分析显示，Trx-1^Tg/+小鼠的坏死率显著低于WT小鼠（术后第4天：29.62 ± 2.88 vs 53.15 ± 3.88，P < .001；术后第8天：18.70 ± 2.39 vs 48.88 ± 3.44，P < .001；术后第12天：21.35 ± 4.52 vs 42.44）。

讨论 通过使用小鼠的缺血背部皮肤瓣模型，我们证明了硫氧还蛋白-1氧化还原系统在术后维持增加的血流量方面的作用。本研究还表明，Trx-1的过表达可以通过减少氧化损伤和调节炎症来减轻皮肤瓣的缺血损伤，从而促进早期修复和重塑，提高存活率。Trx-1的抗氧化作用早已得到证实。在本研究中，

资助/支持 本研究得到了心血管研究基金（Act No: 300289）的支持。

作者贡献声明 安德烈亚·沃特斯（Andrea Watters）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学、数据分析、概念构思。 莫妮卡·马洛尼（Monica Maloney）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学、数据分析、数据管理、概念构思。 加布里埃拉·布朗（Gabriela Brown）：撰写——审稿与编辑、验证、方法学、数据分析。 帕瓦伊·苏格拉底（Pavayee Socrates）：撰写——审稿与编辑、验证、实验设计、数据分析。 大卫·拉塞尔（David Russell）：撰写——审稿与编辑。

利益冲突/披露 作者声明没有竞争性财务利益。