體外沖擊波治療膝骨性關(guān)節(jié)炎機(jī)制研究進(jìn)展

常譯牛 印帥 陳卓 段昭遠(yuǎn) 袁潔 張振華 吳楠 馮曉東，

(河南中醫(yī)藥大學(xué) 1康復(fù)醫(yī)學(xué)院，河南 鄭州 450000；2第一附屬醫(yī)院康復(fù)中心)

膝骨性關(guān)節(jié)炎(KOA)是一種臨床上常見(jiàn)的膝關(guān)節(jié)退行性疾病〔1〕，好發(fā)于中老年人群，并與肥胖、性別、膝關(guān)節(jié)損傷等因素密切相關(guān)〔2〕。其病理特征是關(guān)節(jié)軟骨變性破壞、關(guān)節(jié)周?chē)琴|(zhì)增生、滑膜病變、關(guān)節(jié)囊攣縮等；臨床主要表現(xiàn)為膝關(guān)節(jié)的疼痛、僵硬等功能障礙，甚至可導(dǎo)致關(guān)節(jié)畸形，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量〔3〕。KOA已成為全球第四大致殘?jiān)?，超過(guò)2.5億人受此影響，占全球人口比例的3.6%〔4〕。而我國(guó)65歲以上老年人的KOA發(fā)病率高達(dá)50%〔5〕，且隨著人口老齡化進(jìn)程加快，其發(fā)病率也呈上升趨勢(shì)〔6〕，成為威脅社會(huì)健康的重要公共衛(wèi)生問(wèn)題之一。

目前KOA的治療手段主要包括：運(yùn)動(dòng)治療、物理因子治療、藥物治療等保守療法和軟骨修復(fù)術(shù)、關(guān)節(jié)置換術(shù)等手術(shù)療法，各種方法均取得了一定的療效〔7〕，但保守治療周期較長(zhǎng)會(huì)給患者帶來(lái)較大的痛苦，長(zhǎng)期服藥還易產(chǎn)生耐藥性、胃腸道反應(yīng)及肝腎功能的損傷，手術(shù)治療費(fèi)用高昂且風(fēng)險(xiǎn)較大〔8〕，所以臨床上迫切需要一種安全有效且痛苦較小的KOA治療方法。而體外沖擊波療法(ESWT)因安全有效、無(wú)創(chuàng)且不需住院治療等優(yōu)點(diǎn)〔9〕，被越來(lái)越多的KOA患者所接受。ESWT可以影響細(xì)胞因子表達(dá)，減緩炎癥反應(yīng)；也可以改善微循環(huán)，促進(jìn)炎癥消散，還具有促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖，保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨的作用〔10〕；也能通過(guò)使感覺(jué)性無(wú)髓鞘纖維失能、抑制疼痛因子釋放等來(lái)緩解疼痛，可顯著緩解KOA的癥狀，提高其治療成功率〔11〕。本文就將ESWT治療KOA的作用機(jī)制進(jìn)行明確梳理，方便更好地指導(dǎo)臨床實(shí)踐應(yīng)用，并結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀作出展望。

1 ESWT對(duì)KOA的鎮(zhèn)痛機(jī)制

ESWT有良好的鎮(zhèn)痛效應(yīng)〔12〕，能顯著緩解KOA患者的疼痛〔13〕。在KOA的進(jìn)程中無(wú)髓鞘神經(jīng)纖維的形成，是引起關(guān)節(jié)疼痛的原因之一〔14〕，而ESWT可使感覺(jué)性無(wú)髓鞘纖維失能，降低痛覺(jué)感受器神經(jīng)肽降鈣素基因相關(guān)肽(CGRP)的表達(dá)，從而減緩疼痛〔15〕。Kawcak等〔16〕發(fā)現(xiàn)ESWT還能有效降低末梢神經(jīng)敏感性，減少P物質(zhì)(SP)等疼痛因子的釋放，抑制疼痛信號(hào)的傳遞，并在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證〔17〕。Ramon等〔18〕認(rèn)為，ESWT通過(guò)對(duì)痛覺(jué)神經(jīng)感受器的刺激，還可以影響感受器對(duì)疼痛的接受頻率及其周?chē)瘜W(xué)介質(zhì)的組成，而前列腺素(PG)E2、5-羥色胺(HT)、一氧化氮(NO)等作為主要的疼痛因子〔19〕，ESWT可快速降低它們?cè)谘装Y局部的釋放；此外，ESWT減少促炎細(xì)胞因子的刺激，也可減輕疼痛；還能促使疼痛部位的細(xì)胞膜釋放大量的β-內(nèi)啡肽，抑制疼痛信號(hào)的產(chǎn)生〔20〕，提高痛閾〔21〕。

2 ESWT對(duì)局部微循環(huán)的改善

ESWT可以擴(kuò)張血管、改善微循環(huán)〔22〕，促進(jìn)KOA的恢復(fù)。一方面，ESWT產(chǎn)生的機(jī)械波在人體組織內(nèi)傳導(dǎo)的過(guò)程中，其空化效應(yīng)使組織中的微小氣泡發(fā)生急速膨脹，可直接疏通閉塞的微細(xì)血管，改善局部微循環(huán)的凝滯狀態(tài)〔23〕。另一方面，ESWT的機(jī)械壓力使細(xì)胞發(fā)生彈性形變，可調(diào)節(jié)細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)的功能，激活缺氧誘導(dǎo)因子(HIF)，使其與多種促血管生成基因的啟動(dòng)因子結(jié)合，同時(shí)還可誘導(dǎo)內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)、內(nèi)皮型NO合酶(eNOS)、基質(zhì)細(xì)胞衍生因子(SDF)等血管生成相關(guān)生長(zhǎng)因子和趨化因子的早期表達(dá)〔24〕，進(jìn)而促進(jìn)毛細(xì)血管生成；此外，Lee等〔25〕還發(fā)現(xiàn)，ESWT可提高周?chē)M織線粒體的氧化和光化學(xué)作用，從而提高ATP供能，使血管和淋巴管擴(kuò)張，加快局部血液循環(huán)。

3 ESWT對(duì)關(guān)節(jié)軟骨的保護(hù)

關(guān)節(jié)軟骨由軟骨細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)組成，細(xì)胞外基質(zhì)包括水、Ⅱ型膠原蛋白網(wǎng)和蛋白多糖〔26〕。軟骨退變是KOA病變的關(guān)鍵〔27〕，而ESWT具有保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨的作用。ESWT可通過(guò)降低促炎細(xì)胞因子〔白介素(IL)-1、IL-6、腫瘤壞死因子(TNF)-α等〕和降解蛋白〔基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)、一氧化氮合酶(iNOS)等〕的表達(dá)〔28〕抑制關(guān)節(jié)軟骨降解，還可促進(jìn)Smad3蛋白與轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF)特異性結(jié)合形成異聚體，進(jìn)入胞核內(nèi)與DNA特異轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，調(diào)節(jié)基因表達(dá)，進(jìn)一步抑制關(guān)節(jié)軟骨降解。

ESWT除了可抑制關(guān)節(jié)軟骨降解之外，還可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞再生，有利于細(xì)胞外基質(zhì)合成及軟骨下骨重建。ESWT激活Wnt5a/Ca2+〔29〕、JNK (c-Jun、c-Fos)信號(hào)通路〔30〕，觸發(fā)成骨細(xì)胞分化，可重建軟骨下骨；ESWT通過(guò)調(diào)控ERK的活性、提高超氧化物歧化酶(SOD)的歧化作用清除多余的氧自由基〔31〕，均可促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖和細(xì)胞外基質(zhì)合成〔32〕。

4 ESWT對(duì)細(xì)胞因子水平的調(diào)控

大量的細(xì)胞因子在KOA的進(jìn)程中扮演重要角色〔33〕，主要分為以IL-1β、IL-6、TNF-α等為主的促炎細(xì)胞因子和以TGF-β、胰島素樣生長(zhǎng)因子(IGF)、IL-10等為主的抗炎細(xì)胞因子。無(wú)論是促炎細(xì)胞因子的減少，還是抗炎細(xì)胞因子的增加，均有利于KOA的恢復(fù)。

4.1促炎細(xì)胞因子 IL-1β、IL-6和TNF-α是KOA發(fā)病過(guò)程中調(diào)節(jié)炎癥的始動(dòng)因素〔34〕。IL-1β可通過(guò)高水平的粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子促進(jìn)生成，也能以自分泌方式產(chǎn)生〔35〕，席立成等〔28〕發(fā)現(xiàn)，ESWT可以通過(guò)抑制NF-κB的核定位來(lái)阻滯IL-1β的表達(dá)；TNF-α作為炎癥前因子，不僅可引起組織炎性損傷，還可刺激IL-6等促炎因子的合成〔36〕；IL-6是促炎作用最強(qiáng)的細(xì)胞因子，可與TNF-α協(xié)同促進(jìn)KOA的炎癥反應(yīng)〔37〕，Hazan-Molina等〔38〕在實(shí)驗(yàn)中觀察到，低能量ESWT能有效下調(diào)NF-κB信號(hào)通路的活化，進(jìn)而減少TNF-α的表達(dá)，此結(jié)論也在劉洪柏等〔39〕實(shí)驗(yàn)研究中得到證實(shí)。ESWT通過(guò)NF-κB通路可有效抑制IL-1β和TNF-α的分泌，而TNF-α分泌減少還可減輕對(duì)IL-6合成的刺激，最終使得 IL-6、IL-1β、TNF-α的表達(dá)均下降。ESWT使促炎細(xì)胞因子的表達(dá)下降，可從源頭上減緩炎癥反應(yīng)，對(duì)于KOA的防治至關(guān)重要。

4.2抗炎細(xì)胞因子 TGF-β被認(rèn)為是最強(qiáng)的促生長(zhǎng)因子〔40〕，具有抑制關(guān)節(jié)軟骨的變性、凋亡的作用。IL-10可由T細(xì)胞、B細(xì)胞、單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞產(chǎn)生，具有抑制炎癥反應(yīng)的作用〔41〕。IGF是生長(zhǎng)激素產(chǎn)生生理作用過(guò)程中必需的一種活性蛋白多肽物質(zhì)，可誘導(dǎo)軟骨生成。TGF-β、IL-10、IGF均具有抑制促炎性細(xì)胞因子的作用，可延緩KOA的進(jìn)程〔42〕。ESWT通過(guò)影響miR-140的基因表達(dá)，調(diào)控TGF-β信號(hào)通路，可促進(jìn)TGF-β的表達(dá)〔43〕，后續(xù)的研究也證實(shí)ESWT可以提高KOA血清、關(guān)節(jié)液中抗炎細(xì)胞因子TGF-β、IGF〔44〕、IL-10〔28〕的水平，雖然部分抗炎因子的表達(dá)機(jī)制仍不清楚，有待臨床和實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步研究，但ESWT提高抗炎細(xì)胞因子的表達(dá)，對(duì)治療KOA起到的積極作用，是值得肯定的。

5 ESWT影響關(guān)節(jié)組織微環(huán)境中蛋白的表達(dá)

關(guān)節(jié)組織中的蛋白種類(lèi)眾多，但根據(jù)其對(duì)KOA病情的影響，也可分為兩類(lèi)。

一類(lèi)是MMPs、軟骨降解蛋白酶和iNOS等降解關(guān)節(jié)基質(zhì)的蛋白酶，它們可加重KOA病情。ESWT通過(guò)其機(jī)械應(yīng)力的刺激，調(diào)控上游細(xì)胞內(nèi)絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路蛋白ERK、c-Jun氨基末端激酶(JNK)的表達(dá)，發(fā)揮對(duì)MAPKs信號(hào)通路蛋白表達(dá)的影響，降低MMPs水平〔45〕；還可通過(guò)JNK信號(hào)通路〔46〕調(diào)控其下游轉(zhuǎn)錄因子AP-1蛋白(c-JUN、c-Fos、AFr-2)，減少p-JNK的表達(dá)，也可降低MMPs的水平〔47〕。ESWT刺激產(chǎn)生的IL-10通過(guò)對(duì)酪氨酸激酶信號(hào)傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子(JAK-STAT)信號(hào)通路的調(diào)控，可抑制iNOS和軟骨降解蛋白酶的表達(dá)〔28〕。

另一類(lèi)是肌糖蛋白C、SOD、Smad3蛋白、膠原蛋白等利于KOA恢復(fù)的蛋白。其中Smad3蛋白可由TGF-β誘導(dǎo)產(chǎn)生；ESWT刺激軟骨細(xì)胞后在血小板衍生生長(zhǎng)因子的作用下，可促進(jìn)膠原蛋白產(chǎn)生〔48〕，而ESWT影響患者SOD和肌糖蛋白C的表達(dá)機(jī)制目前還不清楚。但據(jù)目前研究表明，ESWT既可以抑制MMPs、iNOS和軟骨降解蛋白酶的表達(dá)，也可以促進(jìn)SOD、肌糖蛋白C、Smad3蛋白和膠原蛋白的表達(dá)，對(duì)KOA的治療具有積極意義。

6 ESWT對(duì)MicroRNA(miRNA)表達(dá)的影響

miRNA是一類(lèi)由內(nèi)源基因編碼的長(zhǎng)度約為22個(gè)核苷酸的非編碼單鏈小分子RNA〔49〕，不同的miRNA對(duì)軟骨細(xì)胞代謝、增殖及細(xì)胞外基質(zhì)合成、代謝產(chǎn)生影響，比如miR-34a可調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的凋亡〔50〕、miR-27a和miR-27b能夠調(diào)節(jié)MMP-13的表達(dá)〔51〕加重KOA病情等，可見(jiàn)miRNA在KOA的始動(dòng)和進(jìn)展中起重要作用。荊琳等〔51〕通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明，人軟骨miRNA與動(dòng)物標(biāo)本miRNA的峰值在理論上一致，并且篩選出5種在KOA關(guān)節(jié)軟骨中高表達(dá)的miRNA，證明這5個(gè)高表達(dá)的miRNA是KOA的潛在致病基因；之后Cheng等〔52〕通過(guò)下一代測(cè)序技術(shù)，評(píng)估了經(jīng)ESWT干預(yù)后的KOA模型大鼠，在其miRNA表達(dá)譜中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)ESWT治療后miRNA在關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨中的表達(dá)關(guān)系得到改善，有利于KOA的恢復(fù)。ESWT影響miRNA的表達(dá)對(duì)KOA的治療有重要意義，找出存在差異表達(dá)的miRNA在KOA病程中的作用，進(jìn)一步研究ESWT對(duì)KOA潛在致病基因的調(diào)控機(jī)制，可以為KOA的防治提供新思路。

綜上，ESWT可以針對(duì)影響KOA的相關(guān)因素進(jìn)行多層面、多環(huán)節(jié)、系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。目前，ESWT對(duì)KOA的治療已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可，但在對(duì)其作用機(jī)制梳理的過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)一些不足：機(jī)制研究以動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)為主，樣本量較小，能流密度、波形選擇也不統(tǒng)一，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性；ESWT促進(jìn)抗炎細(xì)胞因子IL-10、IGF及SOD、肌糖蛋白C等的表達(dá)機(jī)制還不清楚。ESWT通過(guò)對(duì)潛在致病基因的調(diào)控，影響KOA關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)miRNA的表達(dá)，對(duì)于KOA的治療也有積極意義，其機(jī)制也有待進(jìn)一步研究。此外，隨著神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)KOA中樞神經(jīng)功能、結(jié)構(gòu)存在重塑現(xiàn)象，但目前尚缺乏有關(guān)ESWT對(duì)KOA的中樞機(jī)制研究。

為了進(jìn)一步完善ESWT治療KOA的機(jī)制基礎(chǔ)，更好地指導(dǎo)臨床實(shí)踐應(yīng)用，特做出以下展望：(1)探索實(shí)驗(yàn)中ESWT的最佳參數(shù)(能流密度、波形、治療周期等)，再適當(dāng)擴(kuò)大樣本量，嚴(yán)格把控實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，提高結(jié)果的精確性和可重復(fù)性；(2)考慮物種的差異性，在符合倫理學(xué)研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)積極開(kāi)展以患者為對(duì)象的機(jī)制研究，更直接的獲取實(shí)驗(yàn)證據(jù)；(3)可從ESWT調(diào)控信號(hào)通路、基因表達(dá)等角度，繼續(xù)研究IL-10、IGF等抗炎細(xì)胞因子及SOD、肌糖蛋白C等軟骨組織蛋白的表達(dá)機(jī)制，進(jìn)一步完善ESWT促進(jìn)KOA關(guān)節(jié)軟骨再生的機(jī)制；(4)可在原有基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究ESWT對(duì)KOA關(guān)節(jié)軟骨的miRNA調(diào)控機(jī)制，為KOA的防治提供新思路；(5)可運(yùn)用多模態(tài)成像技術(shù)如：血氧水平依賴(lài)功能磁共振成像(BOLD-f MRI)、正電子發(fā)射斷層顯像(PET)-CT等從結(jié)構(gòu)、功能、代謝等角度，交叉印證ESWT治療KOA的作用機(jī)制。只有繼續(xù)深入對(duì)ESWT治療KOA的機(jī)制進(jìn)行實(shí)質(zhì)性系統(tǒng)性研究，揭示ESWT在KOA治療過(guò)程中各環(huán)節(jié)、各層面的客觀規(guī)律，才能促進(jìn)ESWT在治療KOA方面取得更好的進(jìn)展。