一、低氧预处理促进表皮细胞趋电性迁移
表皮细胞有效地向创面中心迁移是创面愈合过程中的关键步骤。表皮细胞要实现向创面中心快速有效地迁移，就需要知道迁移的方向。创面内源性的直流电场作为一个重要的方向信号，指导表皮细胞有效地向创面中心的迁移。创面内源性的直流电场是皮肤创面形成时皮肤屏障破坏、跨上皮电势差消失所产生，创面中心为电场的负极，创缘为电场的正极，此电场一直持续到创面完全再上皮化后才消失。
以往研究表明内源性的直流电场强度为42～100mV/mm，并且随着时间和空间在不断变化。在体外，生理强度的直流电场能够指导多种细胞朝着一定的方向迁移，称为趋电性。表皮细胞在直流电场中从正极向负极迁移，这跟在体表皮细胞在内源性直流电场中迁移的方向一致。更有意义的是，最新的研究显示电场是上皮创面愈合过程中最重要的方向信号，这表明电场在创面愈合过程中所起的作用比以往的认识更加重要。然而创面微环境是复杂的，除了电场，表皮细胞向创面中心的迁移可能还受到同时存在于创面微环境中的其他因素的影响。这些因素会对创面表皮细胞方向性的迁移产生什么样的影响还不得而知。尽管一些细胞膜蛋白和胞质蛋白已经被证实与表皮细胞趋电性迁移密切相关，但是创面微环境中的其他因素是否通过影响这些分子来影响表皮细胞趋电性迁移还不得而知。
创面形成后，由于局部血液循环障碍和创周细胞氧耗的增加，导致创面形成低氧的微环境。研究表明，在创面中心处氧分压最低，为0～10mmHg（0～1.3%O2），离创缘越近，氧分压越高，在创缘处氧分压大约为60mmHg（7.9%O2）。创面形成后表皮细胞没有立即开始迁移，而是在几个小时以后才开始迁移，低氧可能在表皮细胞迁移的启动中起着重要作用。事实上，低氧已经被证明能够增强表皮细胞和成纤维细胞的运动性，并且在创面的再上皮化中起着重要的作用。创面的再上皮化不仅依赖于表皮细胞的运动，更重要的是表皮细胞运动的方向。然而，低氧是否会对创面愈合过程表皮细胞方向性的迁移产生影响还未见文献报道。大量的研究描述了表皮细胞趋电性的迁移，然而这些研究都是在常氧条件进行的，都忽略了在体表皮细胞开始迁移之前已经存在的创面低氧微环境。
创面形成后会产生内源性的直流电场，此电场是创面愈合过程中指导表皮细胞向创面中心迁移的最重要的方向信号。在体外，生理强度的直流电场能指导多种细胞进行方向性的迁移。有的细胞朝向正极迁移，有的细胞朝向负极迁移，另外还有些细胞随着外界环境的变化迁移的方向也发生变化。以往研究表明表皮细胞在电场中从正极向负极迁移。另外，内源性直流电场在发育、再生等过程中也起到了至关重要的作用。生理强度的直流电场除了对细胞的迁移产生影响外，还会对细胞的分裂、神经细胞的生长、血管的再生等产生影响。实时观察细胞的生物学行为对于研究发育、再生及创面的愈合有着非常重要的作用。外加直流电场对细胞生物学行为的影响是一个动态的过程，所以实时观察外加直流电场作用下细胞的生物学行为是研究的基础。
分别给细胞外加 0、25mV/mm、50mV/mm、100mV/mm和200mV/mm的电场，观察细胞迁移的变化情况，结果发现，在没有外加电场（即电场强度为0mV/mm）时，原代小鼠表皮细胞朝着每个方向迁移的细胞数目基本相当。在外加直流电场后，细胞朝向电场负极方向迁移，并且随着电场强度的增加，朝向负极方向迁移的细胞数目增加。随着电场强度的增强，表皮细胞迁移的方向性增强。小鼠原代表皮细胞在外加直流电场的作用下不仅表现出方向性迁移，而且迁移的速度也在增加。给原代小鼠表皮细胞外加50mV/mm的直流电场作用6小时，结果显示，在外加直流电场作用1小时末，细胞已经表现出明显的趋电性，随着外加电场时间的延长，细胞迁移的方向性增强，在外加直流电场作用3小时末进入了平台期。此后随着时间的延长，平均方向性不再增加，仍保持相当水平。
创面形成后在产生内源性的直流电场的同时，由于局部血液循环障碍及创周细胞氧耗的增加，也形成了创面低氧的微环境。创面的低氧微环境在创面愈合过程中起着积极的作用。文献报道，创面形成后表皮细胞并没有立即开始迁移，而是在几个小时以后才开始迁移，因此低氧可能在表皮细胞迁移的启动中起着重要作用。另外半暴露疗法使得创面的氧分压较暴露创面更低，而创面再上皮化的速度相较暴露创面更快。此外，已有研究表明，创面的急性低氧通过促进表皮细胞、成纤维细胞以及血管内皮细胞的增殖和迁移促进创面的愈合。创面的再上皮化需要的是表皮细胞从创缘向创面中心的迁移，而不是没有方向的运动。创面内源性直流电场能够指导表皮细胞从创缘向创面中心迁移，并且是指导表皮细胞迁移的最重要的方向性信号。体外研究也表明，外加生理强度的直流电场能够指导表皮细胞进行方向性的迁移。
结果表明低氧不仅能够促进表皮细胞的运动性，而且能够增强表皮细胞趋电性迁移（图5-10）。6小时2%的低氧预处理后，原代小鼠表皮细胞趋电性迁移的电压阈值降为<25mV/mm。因此，在接近创面中心电场强度较低处，在创面低氧微环境的帮助下，表皮细胞仍能有效地向创面中心迁移，使得创面尽早封闭。众所周知，长时间严重低氧会抑制创面的愈合，使得创面长期不愈，导致慢性创面的形成。长期慢性低氧能够抑制真皮成纤维细胞的增殖活性，同时也降低了胶原蛋白的合成，另外对表皮细胞的迁移可能也有一定的抑制作用，这可能是慢性创面长期不愈的原因。然而众多研究表明，创面的急性低氧对于创面的愈合有积极的作用，而且创面微环境中的氧浓度随着时间和空间在不断变化，因此，低氧的程度对创面的愈合至关重要。2%的低氧预处理对表皮细胞趋电性迁移的促进作用最强，我们还发现3小时和6小时2%的低氧预处理后，即使在没有外加直流电场的作用下，表皮细胞迁移的平均轨迹速度和位移速度较常氧对照组也有一定程度的增加，而12小时2%的低氧预处理后表皮细胞迁移的平均轨迹速度和位移速度较常氧对照组都有一定程度的下降。这表明相对较长时间的低氧预处理对表皮细胞的趋电性迁移以及细胞的运动性（无论是否外加直流电场）都有一定程度的抑制作用。
图5-10 低氧预处理能够促进表皮细胞趋电性迁移
先将细胞分别置于常氧、5%低氧、2%低氧以及1%低氧环境中预处理6小时，然后在常氧条件下给细胞外加50mV/mm的直流电场3小时，活细胞工作站下观察记录表皮细胞迁移情况。A～D为细胞迁移的轨迹图，将细胞迁移的起始点归到坐标轴的原点（0，0），线条代表细胞迁移的轨迹，线条末端的黑点代表细胞迁移的终点；E～H为细胞迁移的方向性（cos θ值）、轨迹速度、位移速度及x轴迁移速度标准化后的统计图；I～J为表皮细胞迁移的方向性（cos θ值）和x轴迁移速度每半小时的统计图；K为细胞迁移相关参数的示意图。（*.P<0.05、#.P<0.01和常氧对照组相比）。
低氧预处理促进了电场指导下单层表皮细胞创面愈合，其促进作用大于单独低氧预处理与单独外加电场对创面愈合的促进作用之和。低氧预处理通过增强表皮细胞趋电性进而促进了电场指导下单层表皮细胞创面愈合。活性氧（reactive oxygen species，ROS），比如超氧阴离子、过氧化氢等，主要产生于细胞线粒体的呼吸链。研究表明，在低氧环境中细胞内ROS的产生会增加。虽然高水平的ROS对细胞和组织有损伤作用，然而低水平的ROS是广泛存在于细胞内的信号转导分子，能够调节许多信号通路及基因的表达。文献报道，ROS与细胞的方向性迁移之间有密切的关系，它能够调节中性粒细胞和肝促纤维化细胞的方向性迁移。另外也有文献报道，超氧阴离子在纤维肉瘤细胞和神经胶质瘤细胞的趋电性迁移过程中起着非常重要的作用。因此，我们提出ROS是否涉及低氧预处理促进的表皮细胞趋电性迁移中。通过实验观察到低氧预处理能够增加表皮细胞内ROS的生成，且ROS是电场指导下表皮细胞方向性迁移所必需的，但不是表皮细胞运动所必需的；低氧预处理通过增加细胞内ROS的生成促进表皮细胞的趋电性迁移。