骨骼肌損傷微波熱療機(jī)制的研究進(jìn)展△

杜田昊，劉佳，楊旭，楊英昕*

（1.遼寧中醫(yī)藥大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110000；2.中國(guó)人民解放軍北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院，遼寧沈陽(yáng) 110000）

骨骼肌損傷（skeletal muscle injury,SMI）多以患處腫脹、疼痛為主要表現(xiàn)，多以骨骼肌損傷為主。其病理機(jī)制是由骨骼肌受創(chuàng)后出現(xiàn)微循環(huán)障礙、無(wú)菌性炎癥，致使局部腫脹疼痛［1］。目前臨床治療急性軟組織損傷主要采用口服或局部使用非甾體類(lèi)抗炎藥以緩解患者癥狀，但這類(lèi)藥物對(duì)肝腎功能及胃腸道功能有一定的損害［2］，而微波治療則不存在這種情況。微波治療主要依靠其熱效應(yīng)發(fā)揮治療作用，主要作用為緩解或治療軟組織或骨骼肌的損傷。熱療的方式包括水浴熱療與微波熱療，其中微波熱療在臨床上較為常用。

微波熱療（microwave hyperthermia treatment，MHT）是一種物理因子治療，具有操作簡(jiǎn)單、無(wú)創(chuàng)、痛苦小、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，可以有效改善局部微循環(huán)、活血化瘀、消腫止痛，促進(jìn)炎癥消散，快速修復(fù)急性軟組織的損傷［3］。微波是指波長(zhǎng)為1 mm～1 m 的電磁波，根據(jù)國(guó)際規(guī)定：433 MHz、915 MHz、2 450 MHz 3 個(gè)微波頻段可用于醫(yī)療應(yīng)用，而微波熱療對(duì)骨骼肌損傷的最佳治療溫度為37℃～41℃［1］。現(xiàn)代研究表明，微波加熱可以激活更多的特殊分子，包括骨骼肌中蛋白質(zhì)的基因表達(dá)的變化、抗炎和抗氧化作用、熱休克蛋白（HSP）表達(dá)［4］。

1 微波熱療與骨骼肌熱休克蛋白的關(guān)系

微波熱療治療軟組織損傷疾病可能與骨骼肌熱休克蛋白含量增高有關(guān)。熱休克蛋白（heat shock proteins, HSP） 是一系列高度保守的應(yīng)急蛋白的一種，可響應(yīng)各種生理和環(huán)境壓力，包括熱、冷、缺血、缺氧和能量消耗，作用是保護(hù)細(xì)胞免受損傷以及分子伴侶功能［5］，具體作用是防止或限制壓力引起的細(xì)胞蛋白變性和聚集，并促進(jìn)壓力后的蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)上的再折疊［6］。在哺乳動(dòng)物體內(nèi)存在的大約10 種小型HSP 中，aB-晶狀體蛋白和Hsp25/27 是特征最明顯的，HSP25/27 參與防止細(xì)胞凋亡，Hsp60 是一種線粒體伴侶，參與線粒體的合成過(guò)程。具體小分子熱休克蛋白的相對(duì)分子質(zhì)量、存在部位以及作用見(jiàn)表1［7，8］。

表1 微波熱療作用的熱休克蛋白Table 1 Heat shock proteins acted under microwave hyperthermia

既往研究表明，HSP 水平的顯著增加是啟動(dòng)熱休克反應(yīng)的關(guān)鍵步驟［9］。在微波熱療照射下的小鼠實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，小鼠的骨骼肌中過(guò)度表達(dá)的HSP72 可使小鼠的跑步耐力增加近一倍，線粒體含量增加50%，而在人類(lèi)骨骼肌中觀察到HSP72 的表達(dá)與線粒體酶活性呈正相關(guān)［10］。與此同時(shí)，Ogura 等［11］在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，MHT 可以增加人骨骼肌中HSP90、HSP72 和HSP27 的水平，這也是在人體實(shí)驗(yàn)上首次證明了微波熱療可以增加骨骼肌中熱休克蛋白的含量。

眾所周知，肌肉的超負(fù)荷運(yùn)動(dòng)可以持續(xù)增加肌肉的質(zhì)量。無(wú)論是肌肉的超負(fù)荷運(yùn)動(dòng)還是對(duì)肌肉進(jìn)行熱應(yīng)激處理，都可以增加骨骼肌肉中HSP25 和HSP72 的增加，但熱應(yīng)激處理后的肌肉中HSP 含量要遠(yuǎn)高于超負(fù)荷運(yùn)動(dòng)后的HSP 含量［12］。通過(guò)熱療處理的小鼠比目魚(yú)肌中HSP70 與HSP25 的含量明顯增高［13］，而HSP 的增加可以使骨骼肌中蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變（主要為氨基酸鏈的折疊），從而增強(qiáng)蛋白質(zhì)的耐熱性和抗壓能力，從宏觀上表現(xiàn)為骨骼肌的耐力增加。HSP25 在骨骼肌細(xì)胞中的過(guò)度表達(dá)，通過(guò)增加谷胱甘肽水平和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶的活性來(lái)保護(hù)其免受氧化應(yīng)激。這種熱誘導(dǎo)的抗氧化劑活性的增加也可能減弱運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的肌肉損傷，使用微波透熱法進(jìn)行區(qū)域性熱療的預(yù)處理，可能有助于防止人類(lèi)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的骨骼肌損傷。

熱休克蛋白（HSPs）還參與了各種活動(dòng)，調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)和死亡，調(diào)節(jié)內(nèi)部細(xì)胞環(huán)境，維持細(xì)胞的動(dòng)態(tài)平衡［6］。HSP 還被認(rèn)為可以通過(guò)促進(jìn)肌肉蛋白的合成和控制肌肉蛋白的降解來(lái)保護(hù)細(xì)胞［14］。HSP70 對(duì)人體骨骼肌具有保護(hù)作用，負(fù)責(zé)控制蛋白質(zhì)質(zhì)量和減輕對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞［15］。微波熱誘導(dǎo)的HSP72 可保護(hù)骨骼肌免受興奮-收縮耦合機(jī)制所造成的損傷，同時(shí)可降低一氧化氮（nitric oxide,NO）的毒性。此外，小HSPs 還負(fù)責(zé)穩(wěn)定肌動(dòng)蛋白和肌間纖維以對(duì)抗應(yīng)激。HSP27 和HSP70 對(duì)血管緊張素II 誘導(dǎo)的血壓升高和心臟中核因子NF-kB 的激活都有明顯的抑制作用［16］。有證據(jù)表明，HSP72 可能通過(guò)阻止蛋白質(zhì)聚集，幫助受損蛋白質(zhì)的折疊，來(lái)幫助細(xì)胞保護(hù)免受各種應(yīng)激的傷害［17］。另外，小HSPs 可能通過(guò)與細(xì)胞骨架和谷胱甘肽系統(tǒng)相互作用來(lái)保護(hù)肌細(xì)胞［18］，而且αB-晶體蛋白和HSP25/27 在骨骼肌和心肌中都有高水平表達(dá)［18］。心臟、骨骼肌和細(xì)胞中的HSP70 的增加可能會(huì)導(dǎo)致缺血后心臟功能的增強(qiáng)，減少收縮引起的肌肉損傷，以及維持關(guān)鍵肌肉泵的性能［6］。中樞神經(jīng)系統(tǒng)的耐熱性與HSP70 誘導(dǎo)之間是有某種聯(lián)系存在的［19］。

2 微波熱療對(duì)骨骼肌生長(zhǎng)發(fā)育的分子機(jī)制影響

臨床上應(yīng)用的434 MHz 和915 MHz 的微波熱療在肌肉骨骼損傷的短期治療中是有效的［20］。骨骼肌損通常會(huì)引起膠原蛋白含量的失衡，以及纖連蛋白、氨基葡萄糖、蛋白聚糖等物質(zhì)的增多。這些改變將導(dǎo)致膠原纖維的變性、卷曲，纖維束的直徑減少［21］。骨骼肌損傷后的再生包括幾個(gè)相互依存的階段：變性和炎癥、再生和纖維化［22］。當(dāng)骨骼肌損傷發(fā)生以后，位于肌纖維質(zhì)膜和基底膜之間處于靜止?fàn)顟B(tài)的肌肉衛(wèi)星細(xì)胞開(kāi)始活化、增殖、分化，并與現(xiàn)有纖維融合以修復(fù)損傷區(qū)域或相互融合以形成新的肌纖維［23］。

眾所周知，骨骼肌的離心運(yùn)動(dòng)是在肌肉伸長(zhǎng)的同時(shí)引起肌肉收縮而進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)；這種運(yùn)動(dòng)通常用于增強(qiáng)和恢復(fù)骨骼肌的功能，如果進(jìn)行得過(guò)多，可能會(huì)損害肌肉，例如：Z 線、肌絲結(jié)構(gòu)和肌膜的變化可以說(shuō)明這一點(diǎn)［15］。反復(fù)拉伸活躍的骨骼?。x心性收縮）會(huì)導(dǎo)致肌肉纖維損傷、疼痛以及運(yùn)動(dòng)能力的喪失?？赡艿膿p傷機(jī)制包括肌節(jié)和其他細(xì)胞骨架成分的破壞、膜損傷、鈣穩(wěn)態(tài)喪失［24］。微波熱療可以促進(jìn)大鼠和人類(lèi)神經(jīng)末梢的再生，其機(jī)制可能與增加髓鞘神經(jīng)纖維數(shù)量、髓鞘厚度和軸突直徑有關(guān)［25，26］。此外，在肌肉酸痛期間，人體骨骼肌中一氧化氮（NO）的產(chǎn)生顯著增加，這可能導(dǎo)致肌肉力量的產(chǎn)生減少［14］；其次，由于肌肉損傷，鈣穩(wěn)態(tài)被破壞，細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高，降低了肌肉功能［27］。因此，為了減輕肌肉損傷、肌肉酸痛和肌肉功能下降，必須控制與此機(jī)制相關(guān)的過(guò)程。

據(jù)報(bào)道，肌肉再生所需的大部分肌核都是在肌肉生長(zhǎng)發(fā)育的早期階段產(chǎn)生的［28］。通過(guò)熱療的方法可以使再生肌細(xì)胞的生長(zhǎng)和成熟速度加快，而且肌肉再生可能需要通過(guò)施加熱應(yīng)力來(lái)抑制膠原蛋白的合成。微波熱療引起的熱應(yīng)激，不僅抑制了與損傷相關(guān)的膠原面積增加，還部分促進(jìn)了肌肉質(zhì)量、蛋白質(zhì)含量以及減少了肌肉纖維化［23］。纖維化的特點(diǎn)是細(xì)胞外基質(zhì)蛋白（尤其是膠原蛋白）過(guò)度積聚，并在骨骼肌損傷后發(fā)生［29］。纖維化會(huì)阻礙肌肉的完全再生，并導(dǎo)致?lián)p傷骨骼肌的功能恢復(fù)不完全。有研究表明，骨骼肌損傷后再生過(guò)程中膠原沉積的減少可能會(huì)部分促進(jìn)肌肉再生［30］。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β（transforming growth factor-β, TGF-β） 是最強(qiáng)大的纖維化細(xì)胞因子之一，在包括骨骼肌在內(nèi)的各種組織的纖維化發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著核心作用［29］。TGF-β 可以促進(jìn)纖維修復(fù)和結(jié)締組織的形成，而MHT 可以加快該過(guò)程［31］。

在Ichinoseki-Sekine 等［32］的文章中提到了：434 MHz 微波熱療可使局部肌肉溫度升高并使得升高的溫度保持在6.3℃～11.4℃的范圍內(nèi)，且不會(huì)對(duì)肌肉造成損傷，并能明顯減輕肌肉壓痛和主動(dòng)收縮時(shí)的疼痛。有趣的是，在Singal 等［33］的文章中則顯示：峰值力量（肌肉的收縮強(qiáng)度）呈劑量依賴(lài)性持續(xù)下降，基線力量（靜息肌張力）短暫增加。但是，在隨后的3 h 后恢復(fù)期，峰值力量有所改善，基線力量持續(xù)恢復(fù)到低于微波加熱前的水平。

3 微波熱療對(duì)骨骼肌炎癥和氧化損傷的影響

微波熱療作用在機(jī)體上最直接的效果就是使局部組織和肌肉的溫度升高。從微觀層面來(lái)看，是細(xì)胞與分子機(jī)制的調(diào)節(jié)，局部加熱可使受熱區(qū)域的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣增加。此外，微波熱療可以增加細(xì)胞膜的通透性，使細(xì)胞液外滲增加，使巨噬細(xì)胞和粒細(xì)胞到達(dá)受傷區(qū)域［20］。如果存在壞死細(xì)胞和過(guò)量液體，使它們更容易被清除。熱能還可以提高肌肉的收縮性能，這可能是因?yàn)闊崮芸商岣逜TP 酶的活性并改變了膠原蛋白的機(jī)械性能。

氧化應(yīng)激反應(yīng)是一個(gè)需要能量的過(guò)程，炎癥起始階段包括炎癥細(xì)胞活化和外滲到損傷肌肉，釋放趨化因子和自由基，而自由基是造成細(xì)胞氧化損傷的主要原因［18］。自由基可通過(guò)脂質(zhì)過(guò)氧化對(duì)肌肉-肌腱結(jié)構(gòu)造成損傷，也可改變DNA 和蛋白質(zhì)，局部加熱可限制自由基對(duì)肌肉的損傷［20］。一些研究顯示急性加熱對(duì)增加抗氧化酶的活性有影響，包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）、過(guò)氧化氫酶（catalase,CAT）和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（glutathione peroxidase,GSH-Px）［34］，抗氧化酶的活性增加意味著體內(nèi)的代謝加快，運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)體內(nèi)有毒物質(zhì)和代謝廢料可以盡快地被排除。

眾所周知，力竭運(yùn)動(dòng)會(huì)增加血清和骨骼肌中IL-6 的濃度。在Joel 等［33］的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，力竭運(yùn)動(dòng)根據(jù)肌肉中分析的組織不同而表現(xiàn)出不同的效果，它誘導(dǎo)了抗炎作用，尤其是在2 型纖維中。骨骼肌過(guò)度進(jìn)行離心運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致肌肉內(nèi)肌酸激酶（CK）的增加，會(huì)發(fā)生延遲性肌肉酸痛，以及肌肉力量的降低［15］。在Nosaka 等［34］的實(shí)驗(yàn)中顯示：與對(duì)照組相比，治療組的最大等長(zhǎng)收縮力量（maximal voluntary isometric contraction strength,MVC）恢復(fù)速度明顯更快，運(yùn)動(dòng)范圍（range of motion,ROM）變化更小，肌肉酸痛程度更輕，但效果不如反復(fù)熱療那么強(qiáng)。同樣的，Saga等［14］的結(jié)果顯示，MVC 和ROM 的降低可能與熱預(yù)處理后HSP 表達(dá)的增加有關(guān)，并且微波熱療可以保護(hù)人體骨骼肌免受單次離心運(yùn)動(dòng)后肌肉損傷的影響，但似乎不能緩解或治療第二輪骨骼肌離心運(yùn)動(dòng)后的所造成的肌肉損傷。

NF-κB（nuclear factor-kappa B）炎癥因子信號(hào)通路參與了機(jī)體應(yīng)激與免疫反應(yīng)、炎癥性疾病、細(xì)胞增殖和細(xì)胞凋亡［36］。骨骼肌的離心性運(yùn)動(dòng)可引起肌肉中同時(shí)具有促炎和抗炎特性的肌內(nèi)因子和中性粒細(xì)胞的增加。過(guò)量骨骼肌的離心運(yùn)動(dòng)會(huì)使TNF-α 或IL-1 被激活，導(dǎo)致NF-κB 信號(hào)通路被誘導(dǎo)，NF-κB轉(zhuǎn)錄因子引起許多降解酶的分泌，其中包含蛋白質(zhì)水解酶，并對(duì)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行水解，從而影響蛋白質(zhì)的正常功能。骨骼肌中的炎癥因子，如IL-6、IL-8 和IL-15，已被證明與炎癥和骨骼肌的愈合有關(guān)；IL-10 是一種重要的抗炎細(xì)胞因子，可以減少促炎癥細(xì)胞因子的釋放，增強(qiáng)免疫耐受，增加骨骼肌的熱耐力［37］。在Vardiman 等［15］的實(shí)驗(yàn)中，短波透熱（short-wave diathermy,SWD） 預(yù)熱處理對(duì)通過(guò)高強(qiáng)度離心運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的肌肉內(nèi)炎性肌動(dòng)蛋白有一定的治療效果，但對(duì)與劇烈運(yùn)動(dòng)和炎癥相關(guān)的其他因素沒(méi)有影響。在Evans 等［38］的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了在肌肉的離心運(yùn)動(dòng)前進(jìn)行被動(dòng)熱身可能比主動(dòng)熱身或不熱身更有利于減輕腫脹。

4 微波熱療與血液流速的關(guān)系

運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中的微波治療儀的治療范圍一般為37℃～41℃，影響受損組織愈合的機(jī)制可能高度依賴(lài)于血液滋養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸和有毒廢物的清除［32］。血液與組織發(fā)生熱量交換通常位于毛細(xì)血管，而這類(lèi)血管內(nèi)血流速度較低。之前的研究表明［39］，微波照射可顯著加快該類(lèi)血管的血流速度，可導(dǎo)致骨骼肌組織局部血管開(kāi)放數(shù)量提高20%～25%，局部血流變化表現(xiàn)在微波暴露30 min 內(nèi)，而后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)血流改變效應(yīng)逐漸下降。有趣的是，有文獻(xiàn)報(bào)道稱(chēng)微波連續(xù)輻射20 min，軟組織的溫度可以從36℃升至45℃，血流灌注提高約15 倍，因此微波在其照射區(qū)域可以加快局部血液微循環(huán)，可以促進(jìn)抗炎或者免疫反應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到局部或者全身抗菌或殺菌的效果［40］。因此，在臨床情況下，肌肉溫度和血流變化的機(jī)制，以及它們之間的相關(guān)性，應(yīng)在進(jìn)一步研究中予以考慮。

5 小結(jié)與展望

對(duì)骨骼肌細(xì)胞的研究表明，微波熱療可以減軟組織損傷后的細(xì)胞損傷和蛋白質(zhì)降解。微波熱療還會(huì)增加熱休克蛋白（HSP）的表達(dá)，并上調(diào)與肌肉生長(zhǎng)和分化有關(guān)的基因的表達(dá)。在相關(guān)大鼠實(shí)驗(yàn)中，在肌肉損傷后通過(guò)微波加熱通常會(huì)減少細(xì)胞損傷和肌肉萎縮，并促進(jìn)肌肉生長(zhǎng)或再生。在臨床實(shí)驗(yàn)中，一些研究已經(jīng)證明了運(yùn)動(dòng)前微波熱療或較小程度的水浴熱療，在緩解肌肉酸痛和運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)肌肉功能方面的好處。動(dòng)物研究表明，微波熱療可以減輕肌肉的萎縮和局部組織的氧化應(yīng)激反應(yīng)。熱療后的肌肉有利于增強(qiáng)力量訓(xùn)練并能改善人體肌肉質(zhì)量。在臨床實(shí)踐中，微波熱療促使局部肌肉溫度升高，并提高血液流速，可能是未來(lái)對(duì)相關(guān)機(jī)制研究方向的一個(gè)切入點(diǎn)。